CN107132034B - 一种地下结构拟静力试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下结构拟静力试验装置及方法，包括反力装置、模型箱、边界约束装置、作动器和地下结构模型。反力装置由反力墙和钢架组成，模型箱位于反力墙和钢架之间，由四块竖向加劲钢板和底部钢板拼接而成，模型箱四周加劲钢板之间间隙采用柔性连接，左右侧加劲钢板顶部采用滚轴连接件对拉，底部采用滚轴与底部钢板铰接，模型箱左侧顶部设置作动器，底部设有液压稳定器，模型箱体内放置地下结构构件并填充围岩相似材料，模型箱两侧设置橡胶垫层，橡胶垫层通过卡槽与钢架连接，可变换橡胶垫层类型、局部拆卸模拟不同约束情况，本发明能够实现地下结构拟静力加载，模拟地下结构地震响应特征，具有试验经济、操作简单及可靠性强等优点。

Description

一种地下结构拟静力试验装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种用于研究地下结构抗震性能的拟静力试验装置及方法。

背景技术

随着全球地震灾害频发以及历次大地震中均有地下结构遭受严重破坏的现实，地下结构震害及抗震性能的研究已成为当前地下工程界研究的热点方向之一。目前地震研究的主要手段有理论计算、原位观测和室内试验，其中，室内试验因条件可控，是确定地下结构抗震性能和地震破坏机制的重要途径。

目前室内试验主要有人工震源试验和振动台模拟试验，人工震源试验由于费用高、激振力小，不能模拟地震下地下结构的真实动力响应，这方面的应用很少；振动台模拟试验具有自主控制地震动的输入，数据采集方便等优势，是地下结构地震试验研究的首要选择。但振动台试验同样耗费大，涉及模型箱设计、相似关系确定、结构材料选择、尺寸效应等方面，对测试仪器要求高、操作难度大而且繁琐，特别是存在相似条件难以满足、边界效应和尺寸效应影响大等问题，试验结果是否真实、合理存在疑问。

考虑到地下结构是一种受地层约束的具有特殊边界作用的结构，采用大比例尺的拟静力试验可较精确的研究地下结构在地震荷载作用下的力学性能，以部分代替振动台试验，节约资金，简化操作，拓展模型试验方法。但目前尚无针对地下结构的拟静力试验装置和试验方法，这是当前地下结构地震研究亟需解决的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种能考虑地下结构的围岩状况、结构初始缺陷损伤以及其所受静动荷载耦合作用的试验装置及试验方法，该试验费用低廉、受力明确、可靠性高，试验装置结构简单、操作方便。

本发明采用的具体技术方案如下：一种地下结构拟静力试验装置，包括反力装置、模型箱17、边界约束装置、作动器和地下结构模型，其特征在于：

所述反力装置包括反力墙2和反力钢架3，反力钢架3由钢柱4、钢梁5和钢板拼装而成，并锚固于地面1；

所述模型箱17位于反力墙2和反力钢架3之间，模型箱17由左右侧竖向加劲钢板6和前后侧竖向加劲钢板7以及底部钢板8拼接而成；所述模型箱17四周的加劲钢板之间间隙采用柔性结构14连接，所述模型箱17左右侧竖向加劲钢板6顶部采用滚轴连接件9对拉，所述模型箱17左右侧竖向加劲钢板板6底部采用滚轴12与底部钢板8铰接，所述模型箱17左侧顶部设置作动器21，底部设置液压稳定器13，所述模型箱17内放置地下结构模型23，地下结构模型23与模型箱17之间填充围岩25，模型箱17上方设置配重块24；

所述边界约束装置由左右侧橡胶垫层18组成，左侧橡胶垫层18位于反力墙2和模型箱17之间，通过钢框架20固定于反力墙2上，右侧橡胶垫层18位于模型箱17和反力钢架3之间，通过卡槽19连接于反力钢架3上。

所述作动器21固定于反力墙2上，通过水平连接杆22与模型箱17左侧端部相连，施加位移或力控制的反复荷载作用；

所述柔性结构14由L型橡胶16和钢板15组成，所述钢板15一端嵌入L型橡胶16内，另一端紧贴模型箱17各侧壁，实现模型箱17左右侧竖向加劲钢板6可转动。

所述滚轴连接件9由滚轴10和连杆11组成，所述滚轴10焊接于左右侧竖向加劲钢板板6顶部，连杆11端部插入滚轴10内，实现模型箱17左右侧竖向加劲钢板6顶部运动的一致性。

所述橡胶垫层18数目、密度、刚度可根据试验需要进行调节以模拟地下结构模型23所处的不同围岩环境。

本发明还涉及的地下结构拟静力试验测试方法，具体包括如下步骤：

a地下结构模型安装：通过调节液压稳定器13将模型箱17调整至竖直位置并固定，调整柔性结构14两端的钢板15与左右侧竖向加劲钢板板6两侧紧贴，然后将围岩25填入模型箱17至试验设计高度，依据研究的地下结构类型，如隧道、地铁车站、地下管廊结构等，安装对应的地下结构模型23和压力盒、应变片、位移计等测试元件，继续填充围岩25至所需高度；

b静载施加：根据试验方案要求，将特定大小和数量的配重块24按照试验要求放置于模型箱17的顶部表面，模拟特定的围岩压力和附加荷载；

c动载施加：安装作动器21于反力墙2上，通过水平连接杆22将作动器21的端头与模型箱17左侧端部相连，启动作动器21按试验要求对模型箱17顶端施加位移或力控制的反复荷载作用；

d测试：在地下结构模型23典型部位、地下结构模型23与围岩25接触处布置测试元件，测试地下结构模型23的应变、层间位移及裂缝扩展情况，得到地下结构模型23的滞回曲线、骨架曲线及抗震性能；每完成一定次数加载后对地下结构模型23进行整体描述，观察其裂纹扩展及破坏特征。

本发明的工作原理：采用上述技术方案的地下结构拟静力试验装置及方法，根据模型试验需要确定模型反力钢架和地下结构的类型和尺寸，制作模型反力钢架和特定的试验结构，通过预制不同形式的结构来模拟不同类型的地下结构，调整配重块的分布和数量来模拟地下结构所受的荷载状态；在模型箱顶部设置作动器施加动载模拟地下结构受到地震荷载作用；通过预制不同分布形态及尺寸的裂缝可模拟地下结构初始缺陷；围岩约束的相互作用由橡胶垫层来实现，通过改变橡胶垫层刚度、移去部分橡胶垫层可模拟不同围岩状况。在地下结构构件的中部和转角位置布置应变片、位移计、裂缝测定仪，测试地下结构的应变、位移及裂缝扩展情况，得到地下结构的滞回曲线、骨架曲线及抗震性能。每加载一定位移后对地下结构构件进行裂纹扩展描述，观察其破坏特征。

本发明采用以上的技术方案后，具有的有益效果主要表现在：试验装置结构简单、操作方便，可适用于多种尺寸、多种类型地下结构的模型试验，可以有效模拟不同围岩状况、结构的初始缺陷损伤以及地下结构所受静动荷载耦合作用。试验费用低廉、受力明确、可靠性高，可较精确研究地下结构在地震荷载作用下的力学性能，代替部分振动台试验，拓展模型试验方法。

附图说明

图1为本发明的试验装置主视图；

图2为本发明的试验装置俯视图；

图3为滚轴连接件示意图；

图4为柔性结构示意图；

图中各标号表示：1—地面；2—反力墙；3—反力钢架；4—钢柱；5—钢梁；6—左右侧竖向加劲钢板；7—前后侧竖向加劲钢板；8—底部钢板；9—滚轴连接件；10—滚轴；11—连杆；12—滚轴；13—液压稳定器；14—柔性结构；15—钢板；16—L型橡胶；17—模型箱；18—橡胶垫层；19—卡槽；20—钢框架；21—作动器；22—水平连接杆；23—地下结构模型；24—配重块；25—围岩。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1-4所示：一种地下结构拟静力试验装置，包括反力装置、模型箱17、边界约束装置、作动器和地下结构模型，其特征在于：

所述反力装置包括反力墙2和反力钢架3，反力钢架3由钢柱4、钢梁5和钢板拼装而成，并锚固于地面1；

所述模型箱17位于反力墙2和反力钢架3之间，模型箱17由左右侧竖向加劲钢板6和前后侧竖向加劲钢板7以及底部钢板8拼接而成；所述模型箱17四周的加劲钢板之间间隙采用柔性结构14连接，所述模型箱17左右侧竖向加劲钢板6顶部采用滚轴连接件9对拉，所述模型箱17左右侧竖向加劲钢板6底部采用滚轴12与底部钢板8铰接，所述模型箱17左侧顶部设置作动器21，底部设置液压稳定器13，所述模型箱17内放置地下结构模型23，地下结构模型23与模型箱17之间填充围岩25，模型箱17上方设置配重块24；

所述边界约束装置由左右侧橡胶垫层18组成，左侧橡胶垫层18位于反力墙2和模型箱17之间，通过钢框架20固定于反力墙2上，右侧橡胶垫层18位于模型箱17和反力钢架3之间，通过卡槽19连接于反力钢架3上。

其中作动器21固定于反力墙2上，通过水平连接杆22与模型箱17左侧端部相连，施加位移或力控制的反复荷载作用；

如图4所示，柔性结构14由L型橡胶16和钢板15组成，所述钢板15一端嵌入L型橡胶16内，另一端紧贴模型箱17各侧壁，实现模型箱17左右侧竖向加劲钢板6可转动。

如图3所示，滚轴连接件9由滚轴10和连杆11组成，所述滚轴10焊接于左右侧竖向加劲钢板6顶部，连杆11端部插入滚轴10内，实现模型箱17左右侧竖向加劲钢板6顶部运动的一致性。

其中橡胶垫层18数目、密度、刚度可根据试验需要进行调节以模拟地下结构模型23所处的不同围岩环境。

采用以上的试验装置进行的地下结构拟静力试验测试的方法具体包括如下步骤：

a地下结构模型安装：通过调节液压稳定器13将模型箱17调整至竖直位置并固定，调整柔性结构14两端的钢板15与左右侧竖向加劲钢板6两侧紧贴，然后将围岩25填入模型箱17至试验设计高度，依据研究的地下结构类型，如隧道、地铁车站、地下管廊结构等，安装对应的地下结构模型23和压力盒、应变片、位移计等测试元件，继续填充围岩25至所需高度；

b静载施加：根据试验方案要求，将特定大小和数量的配重块24按照试验要求放置于模型箱17的顶部表面，模拟特定的围岩压力和附加荷载；

c动载施加：安装作动器21于反力墙2上，通过水平连接杆22将作动器21的端头与模型箱17左侧端部相连，启动作动器21按试验要求对模型箱17顶端施加位移或力控制的反复荷载作用；

d测试：在地下结构模型23典型部位、地下结构模型23与围岩25接触处布置测试元件，测试地下结构模型23的应变、层间位移及裂缝扩展情况，得到地下结构模型23的滞回曲线、骨架曲线及抗震性能；每完成一定次数加载后对地下结构模型23进行整体描述，观察其裂纹扩展及破坏特征。

Claims (6)

1.一种地下结构拟静力试验装置，包括反力装置、模型箱（17）、边界约束装置、作动器和地下结构模型，其特征在于：

所述反力装置包括反力墙（2）和反力钢架（3），反力钢架（3）由钢柱（4）、钢梁（5）和钢板拼装而成，并锚固于地面（1）；

所述模型箱（17）位于反力墙（2）和反力钢架（3）之间，模型箱（17）由左右侧竖向加劲钢板（6）和前后侧竖向加劲钢板（7）以及底部钢板（8）拼接而成；所述模型箱（17）四周的加劲钢板之间间隙采用柔性结构（14）连接，所述模型箱（17）左右侧竖向加劲钢板（6）顶部采用滚轴连接件（9）对拉，所述模型箱（17）左右侧竖向加劲钢板（6）底部采用滚轴（12）与底部钢板（8）铰接，所述模型箱（17）左侧顶部设置作动器（21），底部设置液压稳定器（13），所述模型箱（17）内放置地下结构模型（23），地下结构模型（23）与模型箱（17）之间填充围岩（25），模型箱（17）上方设置配重块（24）；

所述边界约束装置由左右侧橡胶垫层（18）组成，左侧橡胶垫层（18）位于反力墙（2）和模型箱（17）之间，通过钢框架（20）固定于反力墙（2）上，右侧橡胶垫层（18）位于模型箱（17）和反力钢架（3）之间，通过卡槽（19）连接于反力钢架（3）上。

2.根据权利要求1所述的地下结构拟静力试验装置，其特征在于：所述作动器（21）固定于反力墙（2）上，通过水平连接杆（22）与模型箱（17）左侧端部相连，施加位移或力控制的反复荷载作用。

3.根据权利要求1所述的地下结构拟静力试验装置，其特征在于：所述柔性结构（14）由L型橡胶（16）和钢板（15）组成，所述钢板（15）一端嵌入L型橡胶（16）内，另一端紧贴模型箱（17）各侧壁，实现模型箱（17）左右侧竖向加劲钢板（6）可转动。

4.根据权利要求1所述的地下结构拟静力试验装置，其特征在于：所述滚轴连接件（9）由滚轴（10）和连杆（11）组成，所述滚轴（10）焊接于左右侧竖向加劲钢板（6）顶部，连杆（11）端部插入滚轴（10）内，实现模型箱（17）左右侧竖向加劲钢板（6）顶部运动的一致性。

5.根据权利要求1所述的地下结构拟静力试验装置，其特征在于：所述橡胶垫层（18）数目、密度、刚度可根据试验需要进行调节以模拟地下结构模型（23）所处的不同围岩环境。

6.根据权利要求1-5所述的地下结构拟静力试验装置所进行的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

（a）地下结构模型安装：通过调节液压稳定器（13）将模型箱（17）调整至竖直位置并固定，调整柔性结构（14）两端的钢板（15）与左右侧竖向加劲钢板（6）两侧紧贴，然后将围岩（25）填入模型箱（17）至试验设计高度，依据研究的地下结构类型，安装对应的地下结构模型（23）和测试元件，继续填充围岩（25）至所需高度；

（b）静载施加：根据试验方案要求，将特定大小和数量的配重块（24）按照试验要求放置于模型箱（17）的顶部表面，模拟特定的围岩压力和附加荷载；

（c）动载施加：安装作动器（21）于反力墙（2）上，通过水平连接杆（22）将作动器（21）的端头与模型箱（17）左侧端部相连，启动作动器（21）按试验要求对模型箱（17）顶端施加位移或力控制的反复荷载作用；

（d）测试：在地下结构模型（23）典型部位、地下结构模型（23）与围岩（25）接触处布置测试元件，测试地下结构模型（23）的应变、层间位移及裂缝扩展情况，得到地下结构模型（23）的滞回曲线、骨架曲线及抗震性能；每完成一定次数加载后对地下结构模型（23）进行整体描述，观察其裂纹扩展及破坏特征。