CN105675240A - 一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，包括振动台装置及激振装置，振动台装置包括土台及试验模型，土台的四周采用薄钢板支护，土台相对面通过拉索和锚板拉结加固，土台的上方设置振动信号采集传感器，激振装置包括摆锤支架、击打装置，起吊机组。本发明具有激振灵活，持续时间长的优点，能产生较大的水平振动，对周围建筑物的影响小，能够对模型进行整体冲击，能产生低频振动波，可以考虑土与结构的相互作用，更接近地震破坏的实际情况，造价非常低廉，运行费用和维护费用低，可以建造更大的尺寸，承载能力大大提高，满足大尺寸模型的振动试验需要。

Description

一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置

技术领域

本发明属于建筑结构抗震及振动试验技术领域，具体涉及一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置。

背景技术

建筑结构动力试验是检验结构抗震、抗风和抗冲击能力的重要手段。通过原型或模型动力试验能检测出结构的周期、振型、动力反应、薄弱部位以及其它振动特性，为结构抗震、抗风研究和结构优化设计提供依据。

结构动力试验的方法很多，根据激振源的不同主要有：拟动力试验、环境脉动激振试验、人工爆破和冲击荷载试验、地震模拟振动台试验等。由于地震引起地面的振动主要是水平振动，对建筑物的破坏也主要是水平地面运动造成的，所以目前绝大多数的抗震研究主要是研究水平地震作用下建筑物的地震反应和破坏特征。

拟动力试验可以进行大尺寸模型试验，加载方便，但由于其原理是按照数值积分求解结构动力方程进行的，以集中力代替实际的分布惯性力，对结构振动状态和进入塑性状态的阻尼进行人为假定，使得试验结果与实际有较大差别。

环境脉动激振试验主要用于测量结构的动力特性，由于脉动的激励很小且随机性较大，对研究结构在地震作用下的破坏特征没有帮助。

人工爆破和冲击荷载试验常用于结构的抗震研究，不仅能测量结构的动力特性，还能分析结构的破坏特征，为改进结构设计提供参考依据。但爆炸和冲击荷载试验的作用时间很短，与地震波相比，激振波的频率较高，其中爆炸激振会对周围建筑物和环境产生不利影响。

地震模拟振动台试验能再现各种形式的地震波，能模拟若干次地震现象的初震、主震以及余震的全过程，能够让人们更直观的了解结构在地震中的反应特征。但由于地震模拟振动台的造价过于昂贵，维护费用很高，通常情况下其台面尺寸和承重很有限。对于大型建筑的抗震试验，要求模型的比例很小，使得节点很难制作，甚至不得不采用其它的材料来模拟，而且需要按照相似比增加大量的配重，导致试验模型与实际结构存在较大差别。当模型比例太小时也无法观测结构构件的破坏过程。

实际工程中，建筑结构的基础埋于地基土中一定深度，地基土作为一种弹塑性介质对地震波具有过滤和放大效应，而不同性质的土层对结构地震反应的影响也不同。传统的直接将模型固定于振动台面的地震模拟试验忽略了土层对结构的振动影响，考虑土与结构相互作用的结构动力反应更符合实际。目前国内地震模拟振动台的承载力都非常有限，当考虑土与结构的相互作用时，振动台的承重往往不能满足土体模型的重量要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，该种激振装置造价低廉，能够建造更大的尺寸，承载能力大大超过地震模拟振动台，满足大尺寸模型的振动试验需要，能产生持续的、不同频率和峰值的激振波，可以多次反复试验，可用于研究土与结构相互作用下建筑结构的地震反应和破坏特征。

本发明通过以下技术方案加以实现：

所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，包括振动台装置及激振装置，其特征在于所述振动台装置包括土台及设置在土台上的试验模型，所述土台的四周采用薄钢板支护，土台相对面通过拉索和锚板拉结加固，所述土台的上方还设置有振动信号采集传感器，所述激振装置包括由立柱和横梁组成的摆锤支架、设置在摆锤支架上的击打装置，所述击打装置与起吊机组配合连接。摆锤支架用周围土体固定约束，必要时可增设斜撑保证其稳定性。

所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述击打装置包括横向轴、摆杆、摆锤、钢筒、插接设置在钢筒内的钢桩，所述横向轴设置在同侧立柱之间，该立柱的上端设置有滑槽，所述横向轴的两端分别设置在滑槽内，所述横向轴的两端垂直设置有丝杆，所述丝杆上套接设置有控制盘，所述摆杆垂直焊接设置在摆锤的上下两端，可通过丝杆和控制盘控制横向轴在滑槽内上下移动，所述起吊机组通过吊绳与摆锤下端的摆杆相连，摆杆的上端通过轴承与横向轴连接，所述钢筒埋入土台内。其中，摆锤为钢制材料的实心体，锤击面为平面，摆锤上下两端摆杆的连线通过摆锤的重心。将滑槽设置在立柱的上端，保证横向轴能上下移动的位移量为上下钢筒的中心距。

所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述土台的平面投影为长方形，土台每个侧面上的薄钢板由多块竖直的长条状窄钢板连接而成，相连窄钢板的连接处为铰接，采用铰接设置，可有效保证土台自身的弹性。

所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述薄钢板的宽度为500-800mm，长度与土台的高度相同，且薄钢板的底部插入到地基内。

所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述钢筒和钢桩呈水平设置，所述钢筒和钢桩的外端面与竖直状态的摆锤的侧面平行。

所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述摆锤采用钢制材料制成的实心长方体，摆锤的数量与起吊机组的数量相同。

所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述土台的四周留有空间，空间以外的土体采用边坡或挡土墙加固，可有效防止振动造成空间以外的土体滑塌。

作为优选，所述土台的平面为矩形，冲击方向为平行于长边方向。

作为优选，所述钢筒深入土台的长度为土台长边尺寸的1/3以内，钢筒距离土台底面为土台总高度的1/2以内。

作为优选，拉索为高强钢绞线，纵横方向等间距分布，上下层拉索的间距大于钢筒的直径。

作为优选，钢桩的长度大于钢筒长度1000mm以上，钢桩外端面与摆锤下落垂直时的撞击面平行，间隙小于100mm。

本发明利用土构筑建筑结构动力试验振动台，通过摆锤撞击钢桩在土台内部产生巨大的夯击能和冲击波，使土台产生水平振动，为结构模型的抗震试验提供震源。

本发明与传统的爆破震源振动试验相比，具有激振灵活，持续时间长的优点，能够产生较大的水平振动，对周围建筑物的影响小。与直接冲击荷载试验相比，能够对模型进行整体冲击，能产生低频振动波，可以考虑土与结构的相互作用，更接近地震破坏的实际情况。与地震模拟振动台相比，造价非常低廉，运行费用和维护费用低，可以建造更大的尺寸，承载能力大大提高，满足大尺寸模型的振动试验需要。

本发明可在摆锤回摆的瞬间降低摆锤高度，让三个摆锤在土台的不同高度交替冲击，从而产生持续的、不同频率和峰值的激振波，能够改变土体材料和密实度，满足不同场地类别地震动模拟的需要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明土台的水平剖面图；

图3是本发明土台的立面图；

图4是本发明激振摆锤和支架的立面图；

图中，1-土台，2-试验模型，3-薄钢板，4-拉索，5-锚板，6-振动信号采集传感器，7-立柱，8-横梁，9-起吊机组，10-横向轴，11-摆杆，12-摆锤，13-钢筒，14-钢桩，15-滑槽，16-丝杆，17-控制盘，18-轴承，19-挡土墙。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-4所示，本发明的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，包括振动台装置及激振装置，振动台装置包括土台1及设置在土台1上的试验模型2，土台1的四周采用薄钢板3支护，该薄钢板3的宽度为500-800mm，长度与土台1的高度相同，且薄钢板3的底部插入到地基内，土台1的平面投影为长方形，土台1每个侧面上的薄钢板3由多块竖直的长条状窄钢板连接而成，相连窄钢板的连接处为铰接，土台1相对面通过拉索4和锚板5拉结加固，土台1的四周留有空间，空间以外的土体采用边坡或挡土墙19加固，土台1的上方还设置有振动信号采集传感器6，激振装置包括由立柱7和横梁8组成的摆锤支架、设置在摆锤支架上的击打装置，击打装置与起吊机组9配合连接。该击打装置包括横向轴10、摆杆11、摆锤12、钢筒13、插接设置在钢筒13内的钢桩14，横向轴10设置在同侧立柱7之间，该立柱7的上端设置有滑槽15，横向轴10的两端分别设置在滑槽15内，横向轴10的两端垂直设置有丝杆16，丝杆16上套接设置有控制盘17，摆杆11垂直焊接设置在摆锤12的上下两端，摆杆11的上端通过轴承18与横向轴10连接，起吊机组9通过吊绳与摆锤12下端的摆杆11相连，钢筒13埋入土台1内，钢筒13和钢桩14呈水平设置，钢筒13和钢桩14的外端面与竖直状态的摆锤12的侧面平行，摆锤12采用钢制材料制成的实心长方体，摆锤12的数量与起吊机组9的数量相同。

具体为，本发明钢筒13位于土台1的撞击面一侧，横置于土台1内，由六个不同的直径按照一定间隔排列成上下两排，大钢筒排在中间，小钢筒位于大钢筒的两侧，每个钢筒13内有一根钢桩14，钢桩14采用后壁闭口桩，直径略小于钢筒13的内径，能在钢筒13内自由滑动。摆锤12为一组三个平行分布，大摆锤位于中间，小摆锤位于两侧，起吊机组9由并列三台组成，每台起吊机组9控制一个摆锤12的摆动，起吊与释放的时间差根据所需冲击频率由计算机控制，振动信号采集传感器6位于土台1顶部，与计算机连接采集台面振动加速度、速度和位移数据，试验模型2位于土台1顶部，其基础埋置一定深度，模型上在需要的位置安装振动传感器，通过连接的计算机采集结构的振动反应数据。

本发明的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置工作过程如下：

第一步：构筑振动台时其内土体分层夯实，待土体基本完成固结后，将试验模型和振动信号采集传感器安装在台面上，模型的基础按照设计的比例埋置一定深度，振动数据采集系统与模型连接到位。

第二步：转动控制盘提升横轴到滑槽顶部，开启起吊机组将摆锤吊起一定高度，在每个钢桶内塞入对应的钢桩。

第三步：依次释放三个摆锤使其分别撞击上一排对应的钢桩，全部回弹后迅速起吊摆锤准备二次撞击，起吊摆锤的同时松开控制，使摆心随横轴下落至滑槽底部。

第四步：再次释放三个摆锤使其分别撞击下一排对应的钢桩，可根据需要反复起吊摆锤进行多层撞击。

当夯击点周围的土被夯沉后，可拔出钢桩，通过钢桶加入新土补充，使振动台可以反复使用。

本发明通过交替的多次多点水平撞击，使土体产生多个不同强度和频率的脉冲，引起振动台产生持续的水平振动，同时伴随少量的扭转振动和竖向振动。由于土层对振动周期有放大作用，并过滤部分高频波成分，所产生的震动波特征较接近于实际的地震波。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，包括振动台装置及激振装置，其特征在于所述振动台装置包括土台（1）及设置在土台（1）上的试验模型（2），所述土台（1）的四周采用薄钢板（3）支护，土台（1）相对面通过拉索（4）和锚板（5）拉结加固，所述土台（1）的上方还设置有振动信号采集传感器（6），所述激振装置包括由立柱（7）和横梁（8）组成的摆锤支架、设置在摆锤支架上的击打装置，所述击打装置与起吊机组（9）配合连接。

2.根据权利要求1所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述击打装置包括横向轴（10）、摆杆（11）、摆锤（12）、钢筒（13）、插接设置在钢筒（13）内的钢桩（14），所述横向轴（10）设置在同侧立柱（7）之间，该立柱（7）的上端设置有滑槽（15），所述横向轴（10）的两端分别设置在滑槽（15）内，所述横向轴（10）的两端垂直设置有丝杆（16），所述丝杆（16）上套接设置有控制盘（17），所述摆杆（11）垂直焊接设置在摆锤（12）的上下两端，摆杆（11）的上端通过轴承（18）与横向轴（10）连接，所述起吊机组（9）通过吊绳与摆锤（12）下端的摆杆（11）相连，所述钢筒（13）埋入土台（1）内。

3.根据权利要求1所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述土台（1）的平面投影为长方形，土台（1）每个侧面上的薄钢板（3）由多块竖直的长条状窄钢板连接而成，相连窄钢板的连接处为铰接。

4.根据权利要求3所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述薄钢板（3）的宽度为500-800mm，长度与土台（1）的高度相同，且薄钢板（3）的底部插入到地基内。

5.根据权利要求2所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述钢筒（13）和钢桩（14）呈水平设置，所述钢筒（13）和钢桩（14）的外端面与竖直状态的摆锤（12）的侧面平行。

6.根据权利要求2所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述摆锤（12）采用钢制材料制成的实心长方体，摆锤（12）的数量与起吊机组（9）的数量相同。

7.根据权利要求1所述的一种考虑土与结构相互作用的结构动力试验激振装置，其特征在于所述土台（1）的四周留有空间，空间以外的土体采用边坡或挡土墙（19）加固。