CN106297517A - 一种双向剪切叠层模型箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向剪切叠层模型箱，包括底板和10层以上的框架，所述框架叠设在底板上，最下层的框架与所述底板固定连接，相邻所述框架之间通过万向滚珠轴承抵接，所述万向滚珠轴承嵌设于所述框架的上部且对称设置；所述框架由四条相互垂直的边框首尾相接合围而成，四条所述边框中部均设有圆柱体形的限位凹槽，四条所述边框的下方均连接有圆柱体形的限位销，所述限位销位于所述限位凹槽的正下方且垂直于所述边框；所述限位凹槽内设有空心圆柱状的限位调节器。本发明实现了水平双向自由滑动，限制并调节各框架层间位移，使置于框架内的土体能实现多方向剪切运动，科学模拟其在地震荷载下的运动特性，为土体实验提供了理想的剪切变形条件。

Description

一种双向剪切叠层模型箱

技术领域

本发明涉及试验机械领域，尤其是涉及一种振动台模型试验所用的模型箱。

背景技术

地球上绝大部分地震为构造地震，几乎所有地震灾害都来自构造地震。浅源构造地震的震源深度为60～70km，占地震总数的72％，其频率高、强度大，是工程建设中危害最大的地震类型。

根据地震波传播的基本理论，可以假设岩土介质为均匀、各项同性和完全弹性的。在介质内部，地震波在震源处呈放射状往外传播，称为体波。体波可分为纵波和横波。纵波可在固体或液体中传播，其传播方向与介质质点的振动方向一致，波速与介质体应变相关，一般表现为周期短、振幅小、速度快。而横波只能在固体中传播，其介质质点的振动方向与传播方向垂直，波速与介质剪切模量相关，故又称为剪切波。横波表现为周期长、振幅大、波速较纵波慢。地震荷载作用下，岩土介质存在多方向的振动，浅层地基以剪切变形为主。

为模拟土体在地震荷载下的复杂响应问题，常采用振动台模型实验，并将土体模型安设在模型箱内。由于土体被限制在有限空间内，而模型箱振动形态的变化和箱体边界处对地震波的反射，振动台模型实验常受到“模型箱效应”的影响。常用的模型箱有刚性模型箱、圆筒型柔性模型箱和层状剪切模型箱三种。刚性模型箱的侧壁柔性材料较难选择，圆筒型柔性模型箱外包纤维带的间距较难处理，两种模型箱的模型箱效应均较大，且难以模拟土体发生剪切变形。而叠层剪切模型箱由多层框架自下而上叠合而成，层间放置滚动装置，以实现层间无摩擦的自由滑动，边界效应较弱，对土体剪切变形的模拟较好。

现有叠层剪切模型箱存在以下缺陷：

1、模型箱无法实现双向自由滑动。地震动传播过程中，自然状态的土体发生水平双方向及垂直方向的振动。为模拟土体的自由振动，模型箱的框架间需设置能够实现水平两方向自由滑动的装置。

2、模型箱各框架的层与层间的位移最大剪切变形可控度差。

3、模型箱没有设置可活动调节框架的层间相对位移大小的装置，对土体剪切变形的模拟效果较差。

4、模型箱无法限制整体框架位移。

5、在振动台实验中，实验设计分为考虑侧向土压力和不考虑侧向土压力两种。现有设计未考虑侧向土压力且也无法调整其大小。

发明内容

本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种可实现框架间自由滑动且层间位移可控可调的模型箱。

一种双向剪切叠层模型箱，包括底板和10层以上的框架，所述框架从上往下依次叠设在底板上，最下层的框架与所述底板固定连接，相邻所述框架之间通过万向滚珠轴承抵接，所述万向滚珠轴承嵌设于所述框架的上部且对称设置；所述框架由四条相互垂直的边框首尾相接合围而成，四条所述边框中部均设有圆柱体形的限位凹槽，四条所述边框的下方均连接有圆柱体形的限位销，所述限位销位于所述限位凹槽的正下方且垂直于所述边框；所述限位凹槽内设有空心圆柱状的限位调节器。

进一步的，四条所述边框的侧面还连接有圆弧环状的限位环，所述限位环与所述边框之间形成限位孔，从上往下的所述限位孔贯通形成限位孔道，所述限位孔道内置有圆柱体条状的土压模拟器；所述土压模拟器的下端固定连接在底板上，上端套设有活动限位装置，所述活动限位装置可固定连接与所述土压模拟器的上端某一位置且远离最上层的所述框架。

进一步的，所述限位环连接于同一边框侧面的数量为两个，所述限位环与所述边框的连接位置恒定。

进一步的，所述限位环均连接在离所述边框的最近端面距离为四分之一的边框总长度的位置。

进一步的，所述土压模拟器可选不同刚度的材料。

进一步的，所述活动限位装置通过螺栓连接所述土压模拟器。

进一步的，所述土压模拟器为钢条。

本发明通过设置万向滚珠轴承可实现框架之间万向自由滑动且层间摩擦力小的效果，通过设置相互适配的限位凹槽和限位销可实现层间位移可控，通过进一步设置限位调节器可实现层间位移可调。本发明设计完善，科学合理，使置于框架内的土体能够实现多方向的剪切运动，更加科学的模拟其在地震荷载作用下的运动特性以及原型地基和结构物的受激振动过程，为土体实验提供了理想的剪切变形条件。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明单层框架的结构示意图；

图3是本发明限位凹槽、限位调节器和限位销的位置关系剖面示意图；

图4是本发明土压模拟器的连接关系示意图。

附图标记说明：

1、框架；3、底板；5、万向滚珠轴承；7、土压模拟器；11、限位凹槽；13、限位调节器；15、限位销；16、边框；17、限位环；19、限位孔；71、活动限位装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请一并参照图1至图4，一种双向剪切叠层模型箱，包括底板3和框架1，所述框架1的数量为10层以上且从上往下依次叠设在底板3上，最下层的框架1与所述底板3固定连接，相邻所述框架1之间通过万向滚珠轴承5抵接，所述万向滚珠轴承5嵌设于所述框架1的上部且对称设置。每一层设有12个万向滚珠轴承5，所述万向滚珠轴承5的滚珠球面抵接支撑上一层的框架1。由此，可实现框架之间万向自由滑动且层间摩擦力小的效果。如图3所示，所述框架1由四条相互垂直的边框16首尾相接合围而成，四条所述边框16中部均设有圆柱体形的限位凹槽11，四条所述边框16的下方均连接有圆柱体形的限位销15，所述限位销15位于所述限位凹槽11的正下方且垂直于所述边框16。工作时，上一层框的所述限位销15正好卡入下一层框的限位凹槽11中，由于限位销15只能在限位凹槽11的圆周范围内运动，限位销15又固定连接框架1，从而实现框架1位移可控即层间位移可控。优选的，所述限位凹槽11内可设有空心圆柱状的限位调节器13。工作时，上一层框的所述限位销15正好卡入下一层框的限位调节器13的圆柱状空腔内，可进一步压缩限位销15的运动空间，可实现对框架1位移即层间位移可调。优选的，所述限位调节器13的尺寸上设置有不同的规格可供选择，可进行进一步的精细化操作调整。

不考虑侧向土压力时，从上往下依次叠设的框架1自由振动，框架1的四个边框16不设置约束。在考虑侧向土压力时，可做如下创造性的设计。四条所述边框16的侧面还连接有圆弧环状的限位环17，优选地，所述限位环17与所述边框16之间形成限位孔19，从上往下的所述限位孔19贯通形成限位孔道，所述限位孔道内置有圆柱体条状的土压模拟器7。优选地，所述限位环17连接于同一边框16侧面的数量为两个，所述限位环17与所述边框16的连接位置恒定。插入限位孔19组成的8个限位通道内的土压模拟器7的数量为8个且沿着框架的四个边框16方向两两对称设置，提高了模型箱总体框架层的整体稳定性。进一步的，所述限位环17均连接在离所述边框16的最近端面距离为四分之一的边框总长度的位置，结合所述限位凹槽11和万向滚珠轴承5的位置，使结构布局更加科学合理，模型箱总体框架层整体稳定性更高。土压模拟器7可根据需要选择不同刚度的材料，优选在钢条中选择不同刚度的材料。刚度是使物体产生单位变形所需的外力值。刚度与物体的材料性质、几何形状、边界支持情况以及外力作用形式有关。所述土压模拟器7的下端固定连接在底板3上，上端套设有活动限位装置71，活动限位装置71可沿着土压模拟器7上下滑动，当到达预定位置，优选通过螺栓固定，简单快捷。工作时，所述活动限位装置71可固定连接与所述土压模拟器7的上端某一位置且远离最上层的所述框架1，给最上层的所述框架1留下运动的适当的富余长度。在振动过程中，模型箱总体框架层位移时刻变化，当模型箱总体框架层有很大相对位移时，而土的剪切变形不宜过大，通过上述设计在土压模拟器7固定一个活动限位装置71，给最上层的所述框架1留下运动的适当的富余长度，同时该土压模拟器7的下端固定，当达到预定极限位置时，活动限位装置71可以卡在限位环17的上方，从而达到限制总位移的作用，可防止总位移过大。

综上所述本发明的效果如下：

1、通过在各层框架1上部嵌设有对称的万向滚珠轴承5，使得框架1在水平两方向自由滑动，实现模型箱总体框架层双向自由滑动。通过将限位凹槽11设置为圆柱体形，限位调节器13设置为空心圆柱状，限位销15设置为圆柱体形，使接触方式均为摩擦力最小的圆面接触，边界效应最弱，科学模拟其在地震荷载下的运动特性，为土体实验提供了理想的剪切变形条件。

2、通过在各层框架1的四个边框16上对称设置限位凹槽11和限位销15，上层框架1的限位销15恰好落入限位凹槽11中，限制框架1的相对位移，层间运动范围可控。

3、通过在限位凹槽11内投入不同规格的限位调节器13，上层框架1的限位销15恰好落入限位凹槽11中，调节限位销15内的可运动范围，达到限制层间相对位移且可模拟不同程度的土层剪切变形的目的，实现框架层间相对位移可调。

4、当考虑侧向土压力时，通过在限位孔19内插入不同刚度材料的土压模拟器，可得到不同刚度的侧向约束力，模拟不同大小的土体侧向压力，同时提高了模型箱总体框架层的整体稳定性。

5、通过在土压模拟器7上端部设置活动限位装置71，控制模型箱总体框架层在振动方向的整体位移。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种双向剪切叠层模型箱，其特征在于，包括底板和10层以上的框架，所述框架从上往下依次叠设在底板上，最下层的框架与所述底板固定连接，相邻所述框架之间通过万向滚珠轴承抵接，所述万向滚珠轴承嵌设于所述框架的上部且对称设置；所述框架由四条相互垂直的边框首尾相接合围而成，四条所述边框中部均设有圆柱体形的限位凹槽，四条所述边框的下方均连接有圆柱体形的限位销，所述限位销位于所述限位凹槽的正下方且垂直于所述边框；所述限位凹槽内设有空心圆柱状的限位调节器。

2.根据权利要求1所述的双向剪切叠层模型箱，其特征在于，四条所述边框的侧面还连接有圆弧环状的限位环，所述限位环与所述边框之间形成限位孔，从上往下的所述限位孔贯通形成限位孔道，所述限位孔道内置有圆柱体条状的土压模拟器；所述土压模拟器的下端固定连接在底板上，上端套设有活动限位装置，所述活动限位装置可固定连接与所述土压模拟器的上端某一位置且远离最上层的所述框架。

3.根据权利要求2所述的双向剪切叠层模型箱，其特征在于，所述限位环连接于同一边框侧面的数量为两个，所述限位环与所述边框的连接位置恒定。

4.根据权利要求3所述的双向剪切叠层模型箱，其特征在于，所述限位环均连接在离所述边框的最近端面距离为四分之一的边框总长度的位置。

5.根据权利要求2所述的双向剪切叠层模型箱，其特征在于，所述土压模拟器可选不同刚度的材料。

6.根据权利要求2所述的双向剪切叠层模型箱，其特征在于，所述活动限位装置通过螺栓连接所述土压模拟器。

7.根据权利要求5所述的双向剪切叠层模型箱，其特征在于，所述土压模拟器为钢条。