（工程力学专业论文）振动离心机系统工作原理与初步设计.pdf

w o r 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得中国地震局工程 左堂班究逝或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢意。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 签字日期：旌止一红i r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解虫国丝震屋王猩杰堂婴塞压有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权虫国地震屋王猩应堂受究逝可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名：型勉导师签名： 签字日期： i 摘要 摘要 振动离心机是国际上公认的土工抗震研究最先进、最有效的试验 设备之一，一些发达国家已经将其应用于岩土动力问题研究中。而我 国到目前为止还没有一台大型振动离心机设备，与我国辽阔的地域、 复杂的工程地质条件、高速发展的经济建设以及严峻的地震形势极不 相称。为此，中国地震局工程力学研究所拟建设一台国内领先、国际 先进的大型振动离心机。 动力离心模型试验设备属于尖端试验技术，离心机、振动台、试 验辅助系统等方面均存在难点，振动台研制技术目前仍处于研发和探 索阶段，其中垂直+ 水平2 d 振动台是世界性难题。目前世界上成功建 设的具有水平单向振动台的离心机约2 0 余台，而振动容量1 0 9 t 以上振 动离心机仅有6 台。垂直+ 水平2 d 振动台目前能够良好使用的仅有美 国n e e s 系统中u cd a v i s 的振动离心机，其研制花费巨大，且仍存在一 些问题。 本论文目标是为我国和我所振动离心机系统建设提供指导和帮 助，完成的工作主要有以下几个方面： 1 系统地介绍和总结了国内外土工离心机与振动离心机的发展历 史以及其应用，阐述了振动离心机系统的基本构成和试验原理，总结 了振动离心机系统在机械设计方面的主要特点和应遵循的基本机械设 计原则，归纳了当前动力离心模型试验的一些应用及其成果。 2 阐述了我国大型振动离心机系统建设的必要性，总结了国际振 动离心机的发展趋势，以此为基础，提出了我国振动离心机的设计构 想和指标要求，最后指出了实现指标的关键问题和技术难点。 3 根据国际上几个具有代表性振动离心机的离心机系统的构造对 比，提出了我所离心机系统设计的详细技术指标和结构布局，分析离 心机系统各关键部件的设计难点，提出了其基本设计原则和各关键部 件设计建议。同时，阐明了离心机运行功率的计算方法，提出了我所 主机室的降温措施及离心机系统的监控系统设计建议。 4 阐明了振动离心机中振动台系统的特点及技术要点，对比国际 现有设备性能指标和结构，分析其优点，指出其缺欠，在此基础上提 出了我所振动台结构初步设想和难点。分析了振动台控制系统、液压 源系统和安全监控系统组成和要点。 5 对比国内外振动离心机试验辅助系统发展现状，根据我所设备 功能要求，完成了我所试验辅助系统基本设计，包括试验数据采集与 摄影摄像观测系统设计要求与要点，振动离心机的模型箱设计构想， i 中国地震局工程力学研究所博士学位论文 制模设备组成和模型制作过程基本原则等。 关键词：振动离心机；指标；振动容量：基本设计；技术难点 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec e n t r i f u g a ls h a k e ri si n t e r n a t i o n a l l ya c k n o w l e d g e da st h em o s t a d v a n c e da n dt h em o s te f f e c t i v et e s t i n ge q u i p m e n ti nt h ef i e l do fs e i s m i c r e s i s t a n c eo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i th a sb e e na p p l i e dt or e s e a r c h f i e l d so fg e o t e c h n i c a ld y n a m i c sb ym a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e s h o w e v e r ， c h i n ah a s n tc o n s t r u c t e dal a r g e - s c a l ec e n t r i f u g a ls h a k e ru n t i ln o w , w h i c h i sr e m a r k a b l yn o ta d a p t a b l et ot h ew i d et e r r i t o r y ，c o m p l i c a t e de n g i n e e r i n g g e o t e c h n i c a lc o n d i t i o n s ，r a p i de c o n o m yg r o w t ha n ds e r i o u ss e i s m i cr i s k s i nc h i n a c o n s e q u e n t l y , t h ei n s t i t u t eo fe n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ( i e m ) 。 c h i n a e a r t h q u a k e a d m i n i s t r a t i o n p l a n s t oc o n s t r u c ta l a r g e s c a l e c e n t r i f u g a ls h a k e r ，w h i c hw i l lh o l dal e a d i n gp o s i t i o ni nc h i n aa n dc a nb e c o m p a r a b l ew i t ht h ea d v a n c e do n e si nt h ew o r l da sw e l l t h ed y n a m i c a lc e n t r i f u g a lm o d e lt e s ti s h i g h l y s o p h i s t i c a t e dt e s t i n g t e c h n o l o g y , a sd i f f i c u l tp o i n t sa l s oe x i s ti nc e n t r i f u g e s ，s h a k e r s ，a n d t e s t i n ga u x i l i a r ys y s t e m s t h em a n u f a c t u r a lt e c h n o l o g yo fs h a k e r si ss t i l l u n d e r d e v e l o p m e n t a n dt h e v e r t i c a l h o r i z o n t a lb i a x i a ls h a k e ri sa c h a l l e n g i n gp r o b l e m i nt h ew o r l d a tp r e s e n t a b o u t2 0c e n t r i f u g a l s h a k e r sw i t hh o r i z o n t a lu n i a x i a ls h a k e r sh a v e b e e n s u c c e s s f u l l y c o n s t r u c t e di nt h ew o r l d ，b u to n l ys i xo ft h e mh o l dt h es h a k i n gc a p a c i t y a b o v e1o g t f u r t h e r m o r e ，c u r r e n t l y , o n l yu cd a v i sc e n t r i f u g a ls h a k e ro f n e e so w n sav e r t i c a l - h o r i z o n t a lb i a x i a ls h a k e ri nt h eu n i t e ds t a t e s w h i c hc a nw o r kw e l li nt h e w o r l d ，s o m ep r o b l e m so ft h e v e r t i c a l h o r i z o n t a lb i a x i a ls h a k e rs t i l l e x i s t t h o u g ht h eo u t l a yo fi t s d e v e l o p m e n ti sq u i t el a r g e p u r p o s e so ft h e t h e s i sa r et op r o v i d eg u i d a n c ea n da s s i s t a n c ef o r c o n s t r u c t i o no fc e n t r i f u g a ls h a k e ra ti e ma n di nc h i n a t h em a i nw o r k s o ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 i ti ss y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e da n ds u m m a r i z e dt h a tt h eh i s t o r i c a l d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so fg e o t e c h n i c a le e n t r i f u g ea n dc e n t r i f u g a l s h a k e r s t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt e s t i n gp r i n c i p l e so fc e n t r i f u g a ls h a k e r a r ea l s o e x p l a i n e d i na d d i t i o n ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h e m a i n c h a r a c t e r i s t i c sa n db a s i cp r i n c i p l e si nm e c h a n i c a ll a y o u to fc e n t r i f u g a l s h a k e r s a l s o ，i ti ss u m m a r i z e dt h a tt h ec u r r e n ta p p l i c a t i o n sa n d a c h i e v e m e n t so fd y n a m i c a lc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t s 2 t h et h e s i se x p l a i n st h en e c e s s i t yo fc o n s t r u c t i n gal a r g e s c a l e c e n t r i f u g a ls h a k e ri nc h i n a ，a n ds u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do f c e n t r i f u g a ls h a k e r si nt h ew o r l d b a s e do nt h e s e ，i ti sp r o p o s e dt h a tt h e d e s i g ni d e a s a n di n d e xd e m a n d so fc e n t r i f u g a ls h a k e r si nc h i n a i n a d d i t i o n ，t h ek e yp r o b l e m sa n dt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so fo b t a i n i n gt h e a b s t r a c t i ii i t e c h n i c a li n d i c e sa r ei n d i c a t e d 3 t h r o u g hc o n t r a s t i n g s t r u c t u r e so fe e n t r if u g e so fs o m e r e p r e s e n t a t i v ec e n t r i f u g a ls h a k e r si nt h ew o r l d ，t h ed e t a i l e dt e c h n i c a l i n d i c e sa n ds t r u c t u r a ll a y o u to ft h ec e n t r i f u g a is h a k e ra ti e ma r ep r o v i d e d a n a l y z i n gt h ed i f f i c u l t i e so fe a c hc r i t i c a lc o m p o n e n to ft h ec e n t r i f u g ea t i e m ，i ti sg i v e nt h a tt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n da d v i c e so ft h ed e s i g no fe a c h c r i t i c a l c o m p o n e n t m e a n w h i l e ，t h e t h e s i s g i v e s a d v i c e st ot h e c o m p u t a t i o n a lm e t h o do fr u n n i n gp o w e ro fc e n t r i f u g e s t h em e a s u r e so f c o o l i n gi nt h em a c h i n eh a l la n dt h ed e s i g no fc e n t r i f u g em o n i t o r e d c o n t r o ls y s t e m 4 t h et h e s i ss u m m a r i z e sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i c a lp o i n t so f s h a k e r si n c e n t r i f u g a ls h a k e r s b yc o n t r a s t i n g a n d a n a l y z i n g t h e p e r f o r m a n c ei n d i c e sa n ds t r u c t u r e so fe x i s t i n gf a c i l i t i e si nt h ew o r l d ， d e f e c t sa r ei n d i c a t e d b a s e do nw o r k sa b o v e ，t h et h e s i sf u r t h e ra d v a n c e s p r e l i m i n a r yi d e a so ft h es t r u c t u r ea n dd i f f i c u l t i e so ft h es h a k e ra ti e m i n a d d i t i o n ，i ti sa l s oa n a l y z e dt h a tt h ec o m p o n e n t sa n dp o i n t so fc o n t r o l s y s t e m ，t h eh y d r a u l i cp o w e rs y s t e ma n dt h es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mo f t h es h a k e r 5 t h r o u g hc o n t r a s t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft e s t i n ga u x i l i a r ys y s t e ma t h o m ea n da b r o a d ，t h eb a s i cd e s i g n so ft e s t i n ga u x i l i a r ys y s t e ma ti e ma r e a c c o m p l i s h e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fo u rf a c i l i t i e s ， i n c l u d i n g t e s td a t a a c q u i s i t i o n a n dv i d e oc a m e r a s s y s t e md e s i g n r e q u i r e m e n t sa n dp o i n t s ，m o d e lc o n t a i n e r sd e s i g ni d e a s ，m o d e l i n g f a c i l i t i e sc o m p o n e n t sa n dm o d e l i n gb a s i cp r i n c i p l e se t c k e y w o r d s ：c e n t r i f u g a ls h a k e r ，i n d e x ，s h a k i n gc a p a c i t y ，b a s i cd e s i g n ， t e c h n i c a ld i f f i c u l t y t l 中田地震局丁程力学研究所硕l j 学位论义 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 研究意义l 1 2 土工离心机发展概述3 1 3 振动离心机系统发展概述7 1 4 本文研究内容1 0 第二章振动离心机基本构成和工作原理l3 2 1 引。言13 2 2 系统基本构成1 3 2 3 动力离心模型试验原理1 4 2 4 动力离心模型试验应用1 9 2 5 本章小结2 2 第三章我国大型振动离心机设计构想2 3 3 1 弓i 言2 3 3 2 我国大型振动离心机建设必要性2 3 3 2 1 我国的地震环境2 3 3 2 2 我国岩土地震工程研究需求2 4 3 2 3 振动离心机的应用领域2 6 3 3 国际振动离心机发展趋势2 8 3 4 我所振动离心机设计构想3 l 3 5 我所振动离心机的关键技术和难点3 4 3 5 1 离心机关键技术和难点3 4 3 5 2 振动台关键技术和难点3 6 3 5 3 试验辅助系统键技术和难点3 7 3 6 本章小结3 8 第四章离心机系统初步设计与分析4 l 4 1 引言41 4 2 设计指标与布局一4 1 4 2 1 国际现有设备指标和设计对比4 l 4 2 2 我所离心机系统设计指标4 4 4 2 3 我所离心机系统结构布局4 5 4 3 机械结构初步设计4 7 4 3 1 转动系统初步设计4 7 目录 i i i 4 3 2 传动系统设计5 3 4 3 3 辅助系统设计：5 3 4 4 离心机系统运行功率分析5 6 4 4 1 气动功率5 6 4 4 2 惯性功率5 7 4 4 3 摩擦功率5 7 4 5 监控系统设计5 8 4 6 本章小结6 2 第五章振动台系统初步设计与分析6 5 5 1 引言6 5 5 2 振动台系统总体介绍。6 5 5 2 1 振动台系统特点和技术要求6 5 5 2 2 电液式振动台系统6 7 5 3 机械结构设计6 9 5 3 1 国际现有设备指标和结构对比6 9 5 3 2 我所振动台设计指标和构造设想一7 6 5 4 控制系统设计和分析7 9 5 4 1 任务管理与振动控制8 0 5 4 2 伺服控制系统一8 l 5 5 液压源系统设计。8 2 5 6 安全监控系统8 4 5 6 1 系统故障一8 4 5 6 2 故障处理。8 6 5 7 本章小结8 6 第六章试验辅助系统基本设计8 9 6 1 引言8 9 6 2 试验数据采集与摄影摄像观测系统8 9 6 2 1 试验数据采集系统8 9 6 2 2 摄影摄像观测系统9 4 6 3 模型箱初步设计9 5 6 4 制模设备及模型制作9 9 6 5 本章小结1 0 0 第七章成果与展望10 3 7 1 主要成果10 4 7 2 下一步工作计划1 0 7 参考文献10 9 致谢。l1 4 作者简介1 1 5 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 岩土本身的重力对其性状具有重要的影响作用，其力学特性随所受应力 水平的变化而变化，常规小比例尺土工模型由于其自重产生的应力水平远远 低于原型，因而不能再现原型的特性，解决这一问题的唯一途径就是提高模 型的自重，使之与原型等效。动力离心模型试验技术通过高速旋转的离心机 将l n 缩尺的试验模型置于n 倍于重力场( g ) 的高离心加速度场( r i g ) 中， 使模型内各点应力达到与原型相同的水平，然后在试验模型底部施加地震波 或其他振动荷载，通过数据采集系统、摄影摄像观测系统等量测设备准确记 录、直观观测动力作用下试验模型的各种变化，从而再现土体和土工结构物 在原型应力水平下的应力应变特性、振动稳定性以及破环机理等。动力离心 模型试验技术被国际公认为是研究岩土工程地震问题最为有效、最为先进的 研究方法和技术手段。目前这项试验技术已在土工抗震和岩土工程动力问题 的研究中得到大量应用，特别是在地震破坏机理、抗震设计计算、数值模型 验证等方面显示出巨大的优越性，取得了良好的效果 3 2 3 3 i 。 振动离心机系统是在土工离心机充分发展和大量应用的基础上发展起 来的，它是土工界一种十分有效的环境试验工具，国外许多发达国家已经进 行了建置，而国内却刚刚起步。动力离心模型试验技术自应用于土工抗震和 岩士工程领域以来，研究内容涉及土动力特性、堤、坝、堰等地震失效机理、 边坡地震稳定性、地基液化、土与结构动力相互作用等问题。研究成果用于 指导工程建设、改进工程设计计算方法，土动力学理论研究等，其成果证明， 动力离心模型试验技术对于工程设计计算、土动力学和岩土工程地震学科理 论的发展具有重要作用，具有良好的应用前景。振动离心机系统作为研究土 工抗震和岩土工程中动力问题最先进、最有效的技术手段，而我国与发达国 家在这些领域中的尖端试验技术上存在很大差距。 在我国建设一台具有国际一流水平的大型振动离心机系统迫在眉睫，具 有必要性和紧迫性。我国是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家 之一，地处环太平洋地震带和地中海喜马拉雅山地震带，地质构造十分复杂 且规模宏大，因而中、强地震活动频繁，灾害十分严重。我国地域辽阔，工 程地质条件复杂，岩土类别多分布广，岩土工程存在的问题较任何国家都多。 振动离心机作为国际上公认的研究土工抗震和岩土工程动力特性最先进、最 有效的试验设备之一，国外一些发达国家相继建设了自己的大型振动离心机 设备，并在岩土工程地震领域中发挥了举足轻重的作用，为本国抗震减灾事 业做出了重大贡献。而我国严峻的地震形势，复杂的地质条件，繁多的岩土 中囝地震局t 程力学研究昕硕f 学位论文 工程问题迫切要求建设一台自己的大型振动离心机。动力离心模型试验技术 作为岩土工程地震领域中尖端试验技术，已经在世界范围内得到了大量应 用，取得了很卓越的成果，2 1 世纪国内外动力离心模型试验技术的应用前景 将更加广阔。世界上一些发达国家已经将振动离心机系统高度应用于土工 抗震和岩土工程动力问题研究领域中，比如美国和同本，而我国到目前为止 还没有一台专门从事于地震相关研究的大型振动离心机设备。 在岩土抗震领域中，美国n e e s 系统即美国地震工程网络模拟系统，代 表着国际地震工程试验技术的最新发展趋势，其中的两台振动离心机代表着 世界上地震工程试验技术的最高水平，因此我所对n e e s 系统中振动离心机 的发展进行了跟踪研究。通过跟踪调查国内外振动离心机的建设发展历史及 其应用情况，分析当前国内工程实践和理论研究对振动离心机系统的最新需 要，总结得出振动离心机系统j 下在向着大负载、高频宽、高精度、多向振动、 低频火位移、专业化的方向发展。 中国地震局工程力学研究所作为我国唯一一个以地震工程和防护工程 为专业领域的国家级研究所，理应在震害预防理论和技术研究方面起到先导 作用。目日仃我国其他大专院校和研究机构，装备和拟装备的离心机均是以静 ，力离心实验为主，以动力离心实验为辅。因此，结合中国地震局领导下的优 势，中国地震局工程力学研究所应当装备一套大型振动离心机，代表我国振 动离心机装备的最高水平，以满足我国土工抗震研究发展需求。我所拟建的 振动离心机系统包括四个部分：a 离心机系统3 0 0 9 t ；b 振动台系统，分为 台水平单向振动台( 3 0 9 ，1 3 0 0 k g ) 和一台垂直+ 水平2 d 振动台( 水平 垂直3 0 9 2 0 9 ，4 0 0 k g ) ；c 试验辅助系统包括试验数据采集系统、摄影摄像 观测系统、模型箱和制样设备等；d 土建配套设施。我所拟建的振动离心机 系统综合指标达到国内( 包括港澳台) 领先和国际先进水平，部分关键指标 达到国际日仃列水平，比如振动容量、振动负载、精度、频宽等关键指标，其 中水平单向振动台振动容量3 9 9 t 位居世界第三，仅美国一台4 0 5 9 t 和r 本 一台4 0 9 t 略高于我所。 动力离心模型试验技术在国内外属于尖端土工试验技术，离心机、振动 台、试验辅助系统等方面均存在难点，其中振动台技术是关键。目前离心机 系统研制技术已经相对成熟，而振动台研制技术仍处于研发和探索阶段。就 水平单向振动台而言，世界上成功建设的振动离心机系统约2 0 余台，而振 动容量1 0 2 t 以上振动离心机系统全球才只有6 台。对于垂直+ 水平2 d 振动 台而言，国际上已经进行了一些研制尝试，但目前存在并能够良好使用的仅 有美国n e e s 系统中u cd a v i s 的振动离心机系统，其研制乃是世界性难题。 通过以上介绍，可知我所振动离心机建设的难度非常之大、问题非常之多， 因此，对国际上已经成功建设的几台具有代表性的振动离心机系统进行调研 和考察，分析和比较它们的组成和结构，为我所振动离心机系统的研制提供 借鉴和帮助，具有重要意义。 第一章绪论 本文主要研究和对比国际上现有大型振动离心机系统的性能指标、组成 以及结构，提出我所振动离心机系统的设计构想，分析各分系统的技术难点 和存在的关键问题，并提出初步设计。 1 2 土工离心机发展概述 在离心机上进行土工离心模型试验的设想，最初源于1 8 6 9 年由法国 e p h i l l i p s 首先提出，他依据弹性体的平衡微分方程，推导出了满足模型与原 型之间相同性状的相似关系。但受当时科学技术条件的限制，这一设想未能 变成现实。直至二十世纪3 0 年代初，美国和苏联再次提出且发展了上述设 想，离心模型试验终于由设想变成现实并应用于研究岩土工程问题。1 9 3 1 年美国哥伦比亚大学由b u c k y 带领建设了世界上第一台小型土工离心机，半 径2 5 c m ，见图1 1 ，进行了坑道顶部稳定性试验。因该离心机半径过小，难 以定量观测试验模型的变化，便没有继续进行下去，但它开创了土工离心机 发展的历史。 图1 1 世界上第一台小型土工离心机( 1 9 3 1 ) 随后的二十多年世界一些发达国家又相继建设了8 台半径l m 左右的小 型土工离心机，2 0 世纪6 0 年代后土工离心机的建设进入一个新的发展时期， 土工离心机的建造规模开始逐渐扩大，6 0 年代后期离心机半径为2 - 一2 5 m 。 1 9 7 4 年前苏联在巴库建成半径为5 5 m ，容量高达1 5 0 0 9 - t 的土工离心机，为 当时世界最大的土工离心机，是土工离心机发展历史上一块重要的里程碑， 但其结构形式单一，测量设备简单，限制了它在岩土工程研究领域中的应用。 与此同时，该期间英、美、日等许多发达国家建置了专门用于土工离心模型 试验的离心机，对许多土工课题和工程问题进行了广泛的离心模型试验研 究。1 9 6 5 年日本由m m i k a s a 带领建成了本国第一台土工离心机，在1 9 8 0 年它又建成了容量达3 0 0 9 - t 的大型土工离心机。经过2 0 多年的发展，日本 分别在多个研究机构建立了容量不同，研究专一的土工离心机，并初步形成 了一定规模。其中大阪市立大学土工离心机在模型箱底部安装了水箱，依此 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 通过控制模型中的水位和模型箱的倾斜角度，来模拟水平向地震力的作用。 同期英国在a n s c h o f i e l d 的带领下建设了近1 0 台土工离心机，形成了剑桥 大学( c a m b r i d g eu n i v e r s i t y ) 、曼彻斯特大学( m a n c h e s t e ru n i v e r s i t y ) 和利物 浦大学( 1 i v e r p o o lu n i v e r s i t y ) 三个离心模型试验研究中心。离心模型试验被 应用于地震砂土液化，海洋石油平台稳定性等研究，这些研究取得了卓有成 效的成果，促进了土工离心机更为广泛地应用和发展。这一时期土工离心机 的性能开始也出现显著提升，比如剑桥大学容量1 0 8 9 t 的土工离心机采用了 可控硅调速技术，稳速精度耋1 ；吊篮由以往惯用的固定式转变为摆动式； 该土工离心机后来还配备一套颠簸道路式激振装置，用于进行动力离心模型 试验。同一时期，美国和欧洲各国也先后建置了形式各异的土工离心机，并 开展了岩土工程、地震工程等多方面的土工离心机应用与研究，至此土工离 心机逐渐成为岩土工程和地震工程学科的前沿和焦点1 ) o l 。 2 0 世纪8 0 年代以后，土工离心机与离心模型试验技术有了更快的发展， 德国、法国、丹麦、意大利和荷兰等国也先后发展了大型土工离心机。国际 上土工离心机不但在数量上有了显著的增长，在容量上也有了长足的进步。 比如美国由原宇航试验中心离心机改建成的国家土工离心机，半径9 2 m ，容 量达1 0 8 0 9 - t 。土工离心机之所以得到研究者们的如此青睐，是因为相对于 昂贵和未知的现场测试而言，使用土工离心机进行模型试验要比现场测试更 为优越。正是在这样一个土工离心机大发展的环境下，8 0 年代以后，用土工 离心模型试验技术研究地震问题在世界范围内广泛迅速地发展了起来，世界 上许多国家的土工离心机中心建造了土工离心机振动台系统，简称为振动离 心机系统。随着土工离心机建设和离心模型试验研究热潮的兴起，国际上在 1 9 8 1 年创建了离心技术委员会，并在1 9 8 4 年、1 9 8 8 年、1 9 9 1 年和1 9 9 4 年 分别召开了大型离心模型试验技术国际会议。2 0 0 1 年创办了国际期刊 i n t e r n a t i o n a lj o u m a lo f p h y s i c a lm o d e l i n gi ng e o t e c h n i q u e s ) ) ，2 0 0 2 年加拿大 和2 0 0 6 年香港分别召开了“岩土工程物理模拟”国际会议。至此国际土工离 心机的发展达到了空前的水平j 。 我国科技人员在2 0 世纪5 0 年代中期已经对土工离心模型试验技术在模 拟土工建筑物的性状和研究土动力学基本理论等方面的良好作用有所认识， 但真正给予重视则是2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 4 年我国在清华大学黄文熙教授的 领导下组成“土工离心机”考察团，对国外先进土工离心机进行了实地考察， 随后在其倡导下，南京水利科学研究院、河海大学、清华大学、长江科学院 等，率先开展了土工离心机的建设与离心模型试验技术研究。1 9 8 3 年，南京 水利科学研究院、河海大学的小型土工离心机和长江科学院容量3 0 0 9 t 的大 型土工离心机最早投入运转。8 0 年代末，成都科技大学建成1 台容量2 5 9 - t 的小型土工离心机。2 0 世纪9 0 年代初国内自行设计研制了两台大型土工离 心机，1 9 9 0 年中国水利水电科学研究院建成一台半径4 m 、容量4 5 0 9 4 的大 型土工离心机，次年南京水利科学研究院又建成一台半径5 m 、容量4 0 0 9 4 的大型土工离心机，这两台大型土工离心机采用了当时世界上先进的设计技 术、制造技术和量测技术，它们的性能指标达到了当时世界先进水平，大大 地提高了国内土工离心机的研制水平，缩小了国内离心模型试验技术与发达 国家之间的差距，标志着我国土工离心机装备水平已步入世界先进行列【3 j 。 同时，清华大学和西南交通大学也相继建成容量5 0 9 t 和容量l o o g t 的土工 离心机。2 0 0 1 年香港科技大学容量4 0 0 9 t 配有水平双向振动台的大型土工 离心机开始运行，2 0 0 2 年西安长安大学容量6 0 9 t 和大连理工大学土工离心 机开始建造。2 0 0 6 年上海同济大学容量1 5 0 9 t 的土工离心机建造完成。2 0 0 7 年浙江大学容量4 0 0 9 t 的离心机开始筹建，同年水利水电科学研究院开始对 其4 5 0 9 t 离心机进行升级，目标是增加垂直+ 水平2 d 振动台。国内已经开 展了许多静力离心模型试验研究工作，并己取得了一些试验研究成果。 自2 0 世纪6 0 年代以来，世界上已成功建造了约1 4 0 台土工离，t 3 机，其 中美国2 2 台；日本3 8 台；俄罗斯1 2 台；英国8 台；其他国家4 5 台，包括 法国、德国、意大利、荷兰、瑞士、丹麦等；中国现有土工离心机1 5 台， 其中8 台是由中国工程物理研究院总体工程研究所研制。在土工离心机的发 展历史上，国外具有代表性土工离心机主要性能指标参见表1 1 ，国内具有 代表性土工离心机主要性能指标参见表1 2 ，以国内外土工离心机成功建设 的经验和离心模型试验技术实践成果为基础，结合我所的科研特色，对土工 离心机的主要性能指标进行优化后，我所土工离心机的初步设计指标为：有 效半径5 m ；最大离心加速度l o o g ；最大有效荷载3 0 0 0 k g ；容量3 0 0 9 t ，吊 篮有效净空1 5 m x l 3 m x l 6 m ； 表1 1 国外成功建设大型土工离心机主要性能指标 中囝地震局工程力学研究所硕十学位论文 英国曼彻斯特大学 法国阿基斯坦科学 研究院 法国桥梁道路研究 中心 意大利模型和结构 试验研究所 3 2 1 0 5 5 2 0 1 4 0 2 0 0 2 0 0 6 0 0 3 5 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 4 2 0 2 0 0 2 0 0 2 4 0 1 9 7 1 1 9 7 7 1 9 8 4 1 9 8 5 德国鲁尔波鸿大学4 2 2 5 02 0 0 05 0 01 9 8 7 荷兰德尔夫特土工 研究所 丹麦工程科学院 瑞士联邦理工学院 鹾德波鸿鲁尔大学 苏联巴库建筑与建 材研究所 苏联乌克兰设计研 究所 日本运输省港湾技 术研究所 日本中央大学 日本鹿岛建设株式 会社 日本竹中技术研究 所 日本工喾株式会社 日本建设省土木研 究所 日本西松建设株式 会社 印度理工大学 6 0 2 2 2 2 4 1 5 5 2 5 3 8 3 1 2 7 6 5 2 6 6 6 3 8 4 5 3 0 0 3 0 0 4 4 0 2 5 0 5 0 0 3 2 0 1 1 5 1 5 0 2 0 0 2 0 0 2 5 0 1 5 0 1 5 0 2 0 0 3 5 0 0 1 2 5 0 2 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 5 5 0 2 7 0 0 6 6 0 1 0 0 0 5 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 1 3 0 0 6 2 5 1 0 5 0 1 0 0 8 8 0 5 0 0 1 5 0 0 1 7 6 3 0 0 1 0 0 1 l o 5 0 0 l o o 4 0 0 2 0 0 1 2 5 1 9 8 7 1 9 7 1 2 0 0 0 1 9 8 7 1 9 7 4 1 9 6 8 1 9 8 0 1 9 8 8 1 9 9 2 1 9 9 7 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 6 - 第一章绪论 表1 2 国内成功建设大型土工离心机主要性能指标 1 3 振动离心机系统发展概述 振动离心机系统是指具有动力离心试验功能，配备振动台的土工离心机 系统。振动离心机系统中振动台的技术难度和运行要求非常高，比如当离心 加速度到达1 0 0 9 时，5 0 0 k g 的模型荷载就相当于原型5 0 t 的重力，而振动台 输入的地震频率将为原型地震频率的1 0 0 倍，振动历时为原型的1 1 0 0 ，振 动加速度为原型的1 0 0 倍，因此振动台不但需要足够强度和刚度，还需要有 足够的动力和激振装置，并精确地控制振动台的运动。常规的土工离心机只 能进行静力离心试验，振动离心机系统对制造技术、加工工艺、量测技术等 要求比常规土工离心机系统高很多，但岩土工程和地震工程领域中存在更多 的是动力问题【1 2 , 1 8 j 。早期的土工离心机均只能进行静力离心试验，受科学技 术条件的限制，国际上直到2 0 世纪8 0 年代振动离心机系统的研究才广泛开 展起来，