CN103063385A - 地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程技术领域，涉及地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的方法及装置。具体技术方案为：本装置包括模型箱（5），张拉端锁具（1）、预应力钢绞线（2）、固定端锁具（3）、以及盖板（4）；将土方及模型结构置于模型箱内，预应力钢绞线（2）垂直贯穿模型箱（5）底板、土方以及盖板（4），预应力钢绞线（2）一端通过固定端锁具（3）固定在模型箱（5）底部，张拉预应力钢绞线（2）直到达到预应力钢绞线张拉理论伸长量，此时通过张拉端锁具（1）将张拉预应力钢绞线（2）固定于盖板（4）上。本发明针对模型箱尺寸较小，振动台承载力有限等条件下无法施加人工质量（配重）的缺陷，实现了模拟人工质量（配重）。

Description

地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的方法及装置。

背景技术

近年来城市化进程的加快，使得地下结构越来越多，比如地铁车站、隧道，地下结构的抗震性能研究也引起了广泛的关注。目前通常采用模型试验进行研究，模型试验中，首先以地下结构为对象制作模型结构，然后把模型结构置于土方中一起放到模型箱里，模型箱与振动台台面相连，并通过振动台台面传递信号模拟模型试验。然而模型试验中重力加速度无法改变，忽略重力加速度将在某种程度上给实验结果带来误差，此外忽略非结构构件荷载将会导致模型自振周期的降低，结构剪力和竖向压应力减少，结果误差较大。而目前试验中由于结构模型体积较小，以及振动台承载力有限，使得附加配重比较困难。因此，需要一种有效方法来解决在有限条件下施加人工质量（即配重）的问题。

发明内容

为了在模型试验中建立人工质量相似关系，本发明主要通过给钢绞线施加预应力来实现振动台试验中模拟人工质量。该发明在已有模型箱系统的基础上，增加了张拉端锁具、预应力钢绞线、固定端锁具及盖板。该发明的主要理论依据是预应力原理；该发明主要的计算是利用第二相似理论计算出完全人工质量模型条件下的配重，再通过预应力钢绞线张拉理论伸长量计算公式将要施加的预应力转化为钢绞线张拉理论伸长量。主要实施方法是通过千斤顶张拉钢绞线，使钢绞线伸长理论伸长量，通过钢绞线、盖板及模型箱底板把预应力传给土体，以达到模拟人工质量（即配重）的目的，技术方案如下：

地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的装置，包括模型箱（5），其特征在于还设置了张拉端锁具（1）、预应力钢绞线（2）、固定端锁具（3）、以及盖板（4）；预应力钢绞线（2）依次垂直贯穿模型箱（5）和盖板（4），预应力钢绞线（2）的一端通过固定端锁具（3）固定于模型箱底部，另一端通过张拉端锁具（1）固定于盖板（4）。

地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的方法，其特征在于：将土方及模型结构置于模型箱内，预应力钢绞线（2）垂直贯穿模型箱（5）底板、土方以及盖板（4），预应力钢绞线（2）一端通过固定端锁具（3）固定在模型箱（5）底部，张拉预应力钢绞线（2）直到达到预应力钢绞线张拉理论伸长量，此时通过张拉端锁具（1）将张拉预应力钢绞线（2）固定于盖板（4）上。

所述的预应力钢绞线张拉理论伸长量ΔL的计算公式如下：

ΔL＝（Pp*L）/（Ap*Ep）

其中：L表示预应力钢绞线的计算长度，

Ap表示预应力钢绞线的有效截面面积，

Ep表示预应力钢绞线的弹性模量，

Pp表示预应力钢绞线的平均张拉力（即计算配重），计算公式如下：

p_p＝m_mr*g，

其中：m_mr表示要施加的人工质量，g表示重力加速度；

$m_{\mathrm{mr}}=E_r{l}_r^2{m}_{\mathrm{yj}}-m_{\mathrm{mj}},$

E_r表示模型结构和地下结构的弹性模量相似比，

l_r表示模型结构和地下结构的长度相似比，

m_yj表示地下结构质量，

m_mj表示模型结构质量。

所述的预应力钢绞线（2）与模型结构不接触。

有益效果

本发明结构简单、可操作性好、费用低廉、可靠性高，解决了振动台试验中由于结构埋深较浅、结构比例较小以及振动台承载能力有限，无法施加配重并建立人工质量相似关系的问题。

附图说明

图1实施例中千斤顶施力图；

图2本发明结构示意图；

图3实施例中装置正视图

图4张拉端锁具细节图；

图中，1、张拉端锁具2、预应力钢绞线3、固定端锁具4、盖板5、模型箱。

具体实施方法：

以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

本实施例以地铁隧道为研究对象，地铁隧道即前文中提到的地下结构。以地铁隧道为对象制作地铁隧道模型，地铁隧道模型即为前文中提到的模型结构。本实施例就是要通过施加预应力，模拟模型试验需要施加的人工质量（即配重），解决因忽略重力加速度将在某种程度上给实验结果带来误差的问题。将地铁隧道模型以及土方埋于模型箱中，根据完全人工质量模型计算公式，计算出要施加的人工质量，其中E_r表示地铁隧道模型和地铁隧道的弹性模型相似比；l_r表示地铁隧道模型和地铁隧道的长度相似比；m_yj表示地铁隧道的质量；m_mj表示地铁隧道模型的质量；然后利用重力公式，把计算所得的人工质量转换为施加所需的配重。下一步，通过预应力钢绞线张拉理论伸长量计算公式将所需施加的配重转换为钢绞线伸长量。接下来通过固定端锁具把钢绞线固定在模型箱底部，另一端穿过土体，利用张拉千斤顶张拉预应力钢绞线，压力计监测张拉力大小，当预应力钢绞线的拉力长度快要达到计算长度时，缓慢施加拉力，直至达到计算的伸长量，通过张拉端锁具将钢绞线固定于盖板上。预应力钢绞线与地铁隧道模型的间距不小于地铁隧道模型宽度一半的1.2倍，这样能保证两者不接触，从而消除预应力钢绞线对地铁隧道模型的影响。由于土会松动，因此几小时后（通常2-4个小时后），用张拉千斤顶补张拉一次，保证预应力钢绞线达到理论伸长量，最后锁定。张拉端锁具和固定端锁具可采用相同结构。

Claims (4)

1.地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的装置，包括模型箱（5），其特征在于还设置了张拉端锁具（1）、预应力钢绞线（2）、固定端锁具（3）、以及盖板（4）；预应力钢绞线（2）依次垂直贯穿模型箱（5）和盖板（4），预应力钢绞线（2）的一端通过固定端锁具（3）固定于模型箱底部，另一端通过张拉端锁具（1）固定于盖板（4）。

2.地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的方法，其特征在于：将土方及模型结构置于模型箱内，预应力钢绞线（2）垂直贯穿模型箱（5）底板、土方以及盖板（4），预应力钢绞线（2）一端通过固定端锁具（3）固定在模型箱（5）底部，张拉预应力钢绞线（2）直到达到预应力钢绞线张拉理论伸长量，此时通过张拉端锁具（1）将张拉预应力钢绞线（2）固定于盖板（4）上。

3.根据权利要求2所述的地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的方法，其特征在于：所述的预应力钢绞线张拉理论伸长量ΔL的计算公式如下：

ΔL＝（Pp*L）/（Ap*Ep）

其中：L表示预应力钢绞线的计算长度，

Ap表示预应力钢绞线的有效截面面积，

Ep表示预应力钢绞线的弹性模量，

Pp表示预应力钢绞线的平均张拉力，计算公式如下：

p_p＝m_mr*g，

其中：m_mr表示要施加的人工质量，g表示重力加速度；

$m_{\mathrm{mr}}=E_r{l}_r^2{m}_{\mathrm{yj}}-m_{\mathrm{mj}},$

E_r表示模型结构和地下结构的弹性模量相似比，

l_r表示模型结构和地下结构的长度相似比，

m_yj表示地下结构质量，

m_mj表示模型结构质量。

4.根据权利要求2所述的地下结构振动台试验中有效模拟人工质量的方法，其特征在于：所述的预应力钢绞线（2）与模型结构不接触。

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