CN107830980A - 一种空心变截面单向剪切模型箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空心变截面单向剪切模型箱，所述剪切模型箱由多个质量与刚度协调周期结构自上而下依次叠合而成，所述质量与刚度协调周期结构的水平剖面形状为矩形、竖直剖面为顶部小、底部大的形状，竖直剖面为镂空构造，所述模型箱整体竖直剖面为渐变构造；所述的质量与刚度协调周期结构之间采用滚动式结构和滑动式抗侧移结构连接；所述的剪切模型箱内壁设有消能结构。本发明的空心变截面剪切模型箱可用于单向振动台上，适用于常重力振动台试验和超重力振动台试验，为试验土体提供侧限边界条件，具体的模型尺寸和参数需要根据相应的试验要求而确定。尤其适用于超重力单向振动台试验，特别适用于离心加速度倍数（N≥100）很大、模拟尺度需达到300m的超重力振动台试验。

Description

一种空心变截面单向剪切模型箱

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其是涉及一种空心变截面单向剪切模型箱。

背景技术

在土木工程领域，人们通常采用观测和预测手段来认识土木工程对象的行为，判断它的服役性能和安全性，并做出相应的对策。观测，主要是原型观测，它是通过在竣工后的工程结构物中埋设测量元件，直接获取工程结构工作性状的信息，这种研究是一种事后研究，不能事先对工程结构的设计进行指导。预测分为两种，一种手段是数值分析，另一种手段就是物理模拟(physical modelling)技术，它可以根据相似律和原型工况(例如，真实的建筑物情况)来合理地设定和控制模型边界条件，模拟假想的设计荷载受力条件，从而预测或再现多种因素组合情况下工程结构的力学响应和工作性状，甚至模拟其破坏的全过程，物理模拟所得的信息具有超前性，能够充分地为设计提供技术依据或信息，也可以用来验证数值分析的成果。

目前常用的土工物理模拟的方法主要有：1g小比例尺模型试验、1g大比例尺模型试验、校准筒试验、1g振动台试验、超重力离心机振动台试验等，其中，1g代表常重力。

土工建构筑物(高坝、高陡边坡、软弱地基、地铁车站、隧道、地下综合管廊、城市建筑群、核电站等)的抗震性能模拟是非常重要的一种土工物理模拟试验。一般来说，对人类生活破坏比较大的地震都是浅源地震，浅源地震的深度小于60km，常见浅源地震深度为0～30km。为减少震害、研究土工建构筑物的抗震性能，通常会采用振动台来进行振动台试验，也就是将缩小尺寸的土工建构筑物模型放置在振动台上，然后输入一定的振动波形，观测该振动工况下土工建构筑物的地震响应，从而反推真实土工建构筑物的抗震性能。振动台试验分为常重力和超重力两种，也就是分为1g振动台试验和超重力离心机振动台试验。

1g振动台试验主要用于模拟地震作用下结构物的响应，这种模拟方法较其他模拟方法有一定的优势，而且尺寸和容量也越来越大，目前世界上最大1g振动台是日本E-defense振动台，其满载状态下最大模拟尺度是20m×15m×6m。目前，1g振动台的最大振动自由度为6，振动频率比较低，主要用于上部结构物(木结构、高层建筑等)的抗震性能研究，也可以模拟简单的土与结构相互作用，但是在岩土工程研究中，1g振动台因为更多的注意了面积而不是深度就存在比较大的缺陷：土体自重应力不正确，因而不能真实反映场地在地震动下的响应问题，隧道、核电站、高坝等的真实抗震特性也无法反映出来。常重力振动台通常是大型振动台(振动台台面尺寸比较大)，不使用离心机。

超重力离心机试验是通过离心机进行的一种模拟试验，将缩小尺寸的土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物的自重损失。离心试验模型以恒定的角速度ω绕轴转动，所提供的离心加速度等于rω²(r为模型中任意一点距转动中心的距离)。如果模型采用与原型场地(真实场地)相同的土体，那么当离心加速度为N倍的重力加速度时()，那么模型深度h_m处土体将与原型h_p＝Nh_m处的土体具有基本相同的竖向应力：σ_m＝σ_p。这就是超重力离心模拟最基本的相似比原理，即尺寸缩小N倍的土工模型承受N倍重力加速度时，试验岩土体的应力与原型土体的应力一致，也就是产生了缩尺效应。例如，当N＝10，也就是加速度为10g时，模型中土体深度为1米处的应力水平与原型场地(真实场地)中10米处的应力水平相近；当N＝100，也就是加速度为100g时，模型中土体深度为1米处的应力水平与原型场地(真实场地)中100米处的应力水平相近。也就是，利用离心加速度的倍数(N)来实现缩尺。超重力离心试验所具备的优点是：可正确模拟岩土体应力随深度的变化；可实现土的选择、应力历史的设计、加载系统可控；费用和时间相对较省；可实时观测变形和破坏机理。

超重力离心机振动台试验是在超重力离心机上放置振动台，缩小尺寸的土工建构筑物模型放置在模型箱内，模型箱放置在振动台上。利用以上所述超重力离心试验的原理，当离心加速度达到需要的Ng(N为离心加速度的倍数，N≥1)时，向振动台输入需要模拟的地震波，此时就可以获得土工建构筑物在相应地震情况下的响应，即能获知土工建构筑物的抗震性能。超重力离心机振动台通常是小型振动台(振动台台面尺寸比较小)，使用离心机。

由于常见的工程场地深度都在几十到上百米，采用振动台试验模拟地震动对场地和建筑物的影响，最理想的试验为足尺试验，也就是，将深度为几十至上百米的试验岩土体放置在振动台上，并施加地震波，才能真实反映地震对原型场地的影响。但受到实际振动台施振能力和尺寸的限制，该足尺试验是无法实施的。如果采用常重力振动台试验，模型箱的尺寸在深度方向上通常为1～6米，也就是通过深度为1～6米的缩尺模型来模拟原型场地。如果用该缩尺模型来模拟一定深度的工程场地，当用模型箱试验岩土土的高度来模拟原型一定的深度，故尺寸放大倍数n等于原型深度/模型箱试验岩土体的高度(例如，利用1m深的试验岩土体模拟地下100m深度的原型场地，倍数＝100/1＝100)，根据常重力振动台相似比理论(量纲分析法)，可以得到原型场地的场地响应与模型试验地震响应的关系：加速度放大倍数为1，位移放大倍数为n，速度放大倍数为n^1/2，例如，当n＝100，试验测得的加速度可以直接用作原型场地、试验测得的位移需要放大100倍才能用于原型场地、试验测得的速度需要放大10倍才能用于原型场地。因此，该方法将导致的土体的地震动响应严重失真、应力应变关系不准确，无法真实模拟原型场地的抗震特性。因此，只能采用超重力振动台模拟试验，通过离心力恢复原型重力场，重现原型土体的应力应变关系，例如，当离心加速度Ng＝100g时，可利用1m深的缩尺模型模拟深度100m的原型场地。

全球多次大地震均表明，近场地震(震中50km范围)具有显著的三向性，中远场(震中50km～1000km范围)主要是以水平双向地震动为主。因而在实际岩土抗震研究中，主体还是研究中远场地震动，这种地震动范围广、致灾效应突出，例如1985年墨西哥8.1级地震远离震中400km位于深厚沉积盆地上的墨西哥城就产生了比震中更严重的灾害。抗震设计经验指出，对于双向地震动的研究只要将单向地震动的幅值扩大1.4倍就可以反应双向地震动的致灾效应，因此在抗震研究中还是以单向地震动输入为主。

模型箱是振动台试验中必不可少的专用试验装置，其结构及形状、尺寸往往根据实际试验不同需求情况而确定。模型箱可以分为刚性模型箱和柔性模型箱，刚性模型箱主要用来进行静态试验，柔性模型箱(又称剪切箱、剪切模型箱)主要用于地震模拟。目前在振动台模型试验中使用的模型箱按照使用条件可以分为常重力(1g)振动台模型箱和超重力振动台模型箱，常重力振动台模型箱通常由大型、材质较重、硬度较大的材料(例如，钢材)制成，超重力振动台模型箱通常由轻质、高强材料(例如，铝合金)制成。常重力振动台模型箱无法用于超重力振动台模型试验，但超重力振动台模型箱可以用于常重力振动台模型试验。

在实际情况下，岩土场地为半无限空间体，但在振动台模型试验中，只能用有限尺寸的模型箱装载试验岩土体进行振动台试验以模拟半无限空间体，并利用模型箱中的岩土体应力来还原真实场地岩土体的应力，因此，用于振动台的模型箱必须要满足四点最基本的要求：①振动过程中，不影响剪切波速或剪切应力的传递，尽量使水平剪切刚度为零，对土体的变形无影响；②振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变；③模型箱的侧壁应具备足够的刚度；④尽量减少模型箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力。在模型试验中，振动台将地震动施加到松散岩土体上是得不到原型场地的地震动响应的，因此，需要有装载岩土体的装置(模型箱)不让岩土体呈现松散状况，即对岩土体提供侧向约束。整个振动系统的受力过程为：振动台根据一定的地震波形成相应的激振力，模型箱通过螺栓固定在振动台上，激振力由固定螺栓传递给模型箱底板，模型箱底板再传递给试验岩土体，底部岩土层受震产生水平剪应力并传给上部岩土层，引起上部岩土层的振动，整个岩土层的振动都不是通过模型箱传递上去的。因而，模型箱主要是侧限用的(侧限是指把无限半空间分割出一个小块体，但不能失去无限半空间的侧限力学要求；而且模型箱套在模型土体外面，虽然侧限条件满足了，但施加动力荷载的时候，又不能干扰模型土体的运动)，所以模型箱不能对试验岩土体的运动产生任何约束，因而，理论上还需要单向模型箱保证模型箱与土体的运动协同性，所述的运动协同性是指模型箱与试验岩土体运动的同步、模型箱与试验岩土体单向振动过程中不产生多向振动、模型箱不对试验岩土体产生额外的作用力、尽量规避边界效应，这四个方面的因素只要有一个未满足必然会导致运动的不协同。

所述模型箱与试验岩土体运动的同步是指在振动过程中，模型箱能够随试验岩土体在振动方向上一起振动，振动过程中两者不存在位移相位差，具有同步性；所述模型箱与试验岩土体单向振动过程中不产生多向振动是指振动台输入的波形为单向振动波形(如X向地震波)，岩土体和模型箱在振动过程中不存在其他方向振动(Y向或Z向)，即单向输入的地震动能量只由场地单向变形吸收，不会产生多向振动由场地多个方向上的变形吸收。除了特殊的场地效应引起的多向地震动，例如盆地效应就会使得单向输入的地震动变成多向地震动，但是对于一般水平场地，单向输入的地震动只引起场地单向振动响应。因此，只有单向输入引起单向振动才能反应场地的真实响应。

所述模型箱不对试验岩土体产生额外的作用力是指在土体随模型箱体振动变形的过程中，模型箱体不会限制试验岩土体的变形。由于试验岩土体是松散的，放在模型箱这样一个固定形状的空间内，模型箱体就会对土体形成附加作用力，例如，模型箱相邻两层之间会产生摩擦力，阻碍相邻两层的相对运动，进而在某种程度上限制土体的变形，从而会影响试验结果。边界效应是指由于模型箱侧壁摩阻力的影响，必然会引起边界(试验岩土体与模型箱接触的部分)受力条件或变形条件的改变，这种作用影响到试验结果的准确性，即是否能用离心模型试验来模拟原型工况存在不确定性。虽然在常重力(1g)条件下，很多人通过加大模型尺寸来弱化边界效应，但是在超重力振动台模型试验中，鉴于离心机负载能力(离心加速度乘以配重)有限，通过加大尺寸等措施来弱化边界效应几乎是不可能的。由于边界效应不可避免，超重力离心机振动台试验就是利用缩尺效应来模拟原型工况，因此需要将尽量规避边界效应(使边界效应最小化)，才能使试验结果能够尽量真实模拟原型工况。

针对运动不协同，当前的技术改善方式还很有限，仅考虑一个或两个因素，例如仅考虑降低边界效应的影响，但未考虑影响所述运动协同性的其他三个因素，也就是未从整体角度出发进行综合改善，运动协同性的改善状况成效不够明显。模型试验中，影响运动协同性的四个因素的累积效应会产生多种误差，包括位移、地震加速度误差，土体固结时间误差，能量误差等，各种误差会相互叠加，超重力场产生的缩尺缩时能量放大效应会放大所述的各种误差，离心加速度的倍数(N)越大，误差就会被放大得越大(位移、地震加速度误差与N呈线性；土体固结时间误差与N²呈线性；能量误差与N³呈线性)，因此必须解决模型箱的运动协同性问题，才能真实反应实际工况，为建筑物的结构设计提供真实、客观的依据。在模型箱的实际使用过程中，无论是在常重力还是超重力情况下，模型箱与土体的运动协同性很难实现。如果无法实现模型箱与土体的运动协同性，就会使得模拟结果不真实，相比于实际情况偏大或偏小：①如果土体响应比实际情况偏大，会使得在评估场地条件时偏于过保守，导致设计的经济性降低；②如果土体响应比实际情况偏小，使得评估场地条件过于偏激，造成设计的安全性降低。

目前抗震研究需求的场地尺度需要达到水平300m，深度100m，以此揭示300m级盆地效应、地震动的波动效应、100m的深厚覆盖层地震动放大效应，300m高坝的抗震性能等，综合提高我国的抗震设防水平。现阶段，已经有大量的科研人员将振动台模型箱应用到1g振动台试验或离心机振动台试验中，例如目前世界上最大的超重力单向振动台韩国K-water的模型箱为1.6×0.8×0.8m，所适用的最大离心加速度为100g，所模拟的最大场地尺度为160×80×80m，但这最大的模拟尺度远未达到实际研究的需求，这里面有两方面关键因素：(1)离心机和机载振动台有效负载不够(2)大型模型箱在设计制造方面的质量与刚度控制矛盾尚未解决。

大型模型箱的设计研发相对于小型模型箱的设计研发具有更大的挑战和难点，尤其是在高超重力的环境下更难实现，例如在100g下1m深的大模型箱需要承受100m深的土压力，0.4m深的小模型箱只要承受40m深的土压力，因此，随着离心加速度的增大，大模型箱承受的土压力就会更大，产生的侧向鼓胀变形就会更大。侧向鼓胀变形值与模型箱长边的四次方成正比，与重力加速度的倍数成正比，因而高超重力环境(离心加速度≥50g，优选离心加速度≥75g，更优选离心加速度≥100g)下的超大型模型箱(模型箱长边尺寸≥2m，优选模型箱长边尺寸≥3m；模型箱高度≥0.5m，优选模型箱高度≥0.75m，更优选模型箱高度≥1m)就存在模型箱质量与刚度的纷争问题，通过提高模型箱的侧向刚度减少侧向变形，即通过增加模型箱的截面尺寸增大侧向刚度，这势必增大模型箱自身重量，因为离心机的负载能力是有限的，如果为了提高模型箱刚度而增大模型箱质量，分配给试验岩土体的可用质量就会变少，间接影响模拟尺度；另一方面，增大模拟尺度意味着模型箱的长边需要达到一定的尺寸，例如在100g的超重力环境下模拟300m的场地，模型箱长边就需要达到3m，长边在土压力作用下就会产生侧向鼓胀，如果侧壁的刚度较低，不同高度处的侧向变形就存在差异，不利于实现岩土体层间的自由剪切。另外在振动过程中，随着模型箱长边长度的增加，长边的细长比就会大幅度增加，如果刚度较低就会激发高阶振动模态，进而产生复杂的边界效应影响岩土体地震响应。因此，在设计模型箱的时候，理论上的设计要求：试验岩土体的质量/模型箱的质量比要大于3，模型箱的刚度/土的刚度要远小于1(模型箱在振动方向上的刚度，即模型箱要能实现层间剪切)。上述的侧向鼓胀变形尤其是模型箱的长边尺寸达到2m及以上、超重力倍数达到50g及以上就会特别明显，影响模型箱层间效果；上述的高阶振动模态在模型箱长边尺寸达到2m之后会产生显著的边界效应，严重影响实验精度。

由于模型箱与试验岩土体同步性不满足要求、模型箱与试验岩土体单向振动过程中产生多向振动、模型箱对试验岩土体产生额外的作用力以及边界效应，会对试验结果产生比较大的影响，使得试验结果与原型工况的偏差较大；同时模型箱侧向变形的不一致性干扰地震动剪应力的传递影响岩土体响应，无法指导实际应用，这种问题在超重力大型模型箱中尤为突出，所以有必要对单向剪切模型箱侧向刚度和质量的纷争进行协调处理，需从模型箱的结构、机构和边界处理上深入解决这个难题，最大程度地还原原型场地的真实特征。

现有技术未见有适用于高超重力环境下(离心加速度≥50g，优选离心加速度≥75g，更优选离心加速度≥100g)的超大型模型箱(模型箱长边尺寸≥2m，优选模型箱长边尺寸≥3m；模型箱高度≥0.5m，优选模型箱高度≥0.75m，更优选模型箱高度≥1m)，其原因是现有技术无法解决质量与刚度矛盾的问题。现有技术解决剪切模型箱与试验土体运动协调性主要是采用滚轴实现，壁柱辅助滚轴滚动并限制侧移，这种方法在大型模型箱设计中很笨重，剪切效果也不好。此外，现有技术中，双向剪切模型箱或多向剪切箱都采用滚珠或剪切橡胶等点接触结构实现同步运动，但是不同剪切层之间采用的是点接触，模型箱整体抗侧移刚度低，因而对单向大型模型箱的设计指导意义不大。例如专利CN101824829B采用悬挂支架上放置万向节，这种处理方式只适合用于常重力振动台而无法适用于超重力振动台，因为悬挂支撑在超重力环境下的挠曲比较大。专利CN102323138A为超重力单向振动台，采用滚轴实现模型箱层间滑动，并用导向柱进行辅助导向，这种模型箱只适合超重力g值比较低(20g、40g)的情况，超重力g更高时就可能使得滚轴挤压变形影响使用效果。专利CN105675239A采用增加侧板和连接杆的方式来提高抗侧移刚度，这种方式在高超重力环境下的大型模型箱中是不适用的，这种利用侧板限制位移的方式会产生水平向的摩擦力，影响层间剪切的效果。

对现有技术总结分析可以发现，随着离心加速度越来越高，单纯采用滚轴实现层间剪切和利用壁柱进行限位的弊端越来越明显。首先，剪切模型箱内的剪切环是通过滚轴连接的，滚轴连接属于线接触，随着离心加速度的越来越大，模型箱自身的自重应力就会越来越大，因而滚轴与剪切环之间的接触应力就会非常大(与超重力倍数和支撑的周期结构数量成正比)，就有可能在剪切环上留下压痕，影响剪切环之间的自由相对运动，进而影响整个模型箱的使用寿命。其次，采用壁柱辅助滚轴滚动以及限制侧移也存在非常大的问题，壁柱处于悬臂状态并且其受力与模型箱的高度以及离心加速度有关，随着模型箱高度越高以及离心加速度的越来越大，壁柱上受到的力越来越来，产生的变形也越来越大，因而对模型箱的侧向鼓胀变形起不到约束作用。可见高超重力环境下(离心加速度≥50g，优选离心加速度≥75g，更优选离心加速度≥100g)，超大型模型箱(模型箱长边尺寸≥2m，优选模型箱长边尺寸≥3m；模型箱高度≥0.5m，优选模型箱高度≥0.75m，更优选模型箱高度≥1m)协调质量与刚度间的矛盾存在巨大的技术难点和挑战，目前尚未解决也亟待解决。

随着地震对人类生产生活的破坏性影响越来越重，有必要研究地震对原型场地建筑物的影响。浅源地震对人类建筑物的破坏力是最大的，其深度一般都在5km以上，所以常重力的振动台和剪切箱都无法用于模拟原型场地受地震破坏的情况，因此只能使用超重力离心机振动台来模拟原型场地。在岩土抗震研究中，涉及范围更广的是中远场地震动，主要是水平双向地震动为主，但在研究中主要还是以单向地震动输入为主研究岩土体的抗震特性。随着抗震研究的深入，在理论和数值分析上都已经研究到深大基础、盆地效应、高坝高边坡、城市建筑群等的抗震特性，但是在离心机实验中尚未对这些大型土工建构筑物的抗震特性进行深入研究，一方面的原因是离心机的负载能力有限，另一方面的原因是大型单向剪切模型箱在高离心加速度环境中处理模型箱质量与侧向刚度纷争方面具有极大的难度和挑战。随着离心机建造技术的提高，其负载能力越来越大，目前亟待解决的就是高超重力场的超大型单向剪切模型箱设计(离心加速度≥50g，优选离心加速度≥75g，更优选离心加速度≥100g；模型箱长边尺寸≥2m，优选模型箱长边尺寸≥3m；模型箱高度≥0.5m，优选模型箱高度≥0.75m，更优选模型箱高度≥1m)。因此，为了解决高超重力场下的超大型单向模型箱质量和侧向变形控制难题，必须对超重力离心机振动台的模型箱的机构、结构和边界处理进行重新设计。但现有技术还无法实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种空心变截面单向剪切模型箱，所述的单向剪切模型箱有效解决了单向剪切模型箱与土体的协同运动问题、高超重力场下的超大型单向模型箱质量和侧向变形控制难题。所述的协同运动是指同时实现了模型箱与试验岩土体运动的同步、模型箱与试验岩土体单向振动过程中不产生多向振动、模型箱不对试验岩土体产生额外的作用力、尽量规避边界效应；所述高超重力场是指离心加速度≥50g，优选离心加速度≥75g，更优选离心加速度≥100g；所述超大型单向模型箱是指模型箱长边尺寸≥2m，优选模型箱长边尺寸≥3m；模型箱高度≥0.5m，优选模型箱高度≥0.75m，更优选模型箱高度≥1m。

为解决本发明的技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种空心变截面单向剪切模型箱，所述剪切模型箱由多个质量与刚度协调周期结构自上而下依次叠合而成，所述质量与刚度协调周期结构的水平剖面形状为矩形、竖直剖面为顶部小、底部大的形状，竖直剖面为镂空构造，所述模型箱整体竖直剖面为渐变构造；所述的质量与刚度协调周期结构之间采用滚动式结构和滑动式抗侧移结构连接；所述的剪切模型箱内壁设有消能结构。

所述质量与刚度协调周期结构的短边与模型箱的振动方向垂直，所述短边的上表面布置有滚动式结构和凹槽，为实现所述周期结构与实验土体协同运动的辅助机构，所述的滚动式结构放置在凹槽内并且能够自由滚动，所述短边的下表面为光滑面并与下一层的滚动式结构相接触；

所述质量与刚度协调周期结构的长边与所述模型箱的振动方向平行，所述长边的上表面两端布置有滚动式结构和凹槽，中间位置处布置有滑动式抗侧移结构，所述滚动式结构与滑动式抗侧移结构联合作用实现所述周期结构与试验土体的同步运动、抑制多向振动的产生并减少对试验土体产生额外作用力，为实现周期结构与试验土体的协同运动的主要机构，所述的滚动式结构放置在凹槽内并且能够自由滚动，所述的滑动式抗侧移结构用于实现相邻周期结构的整体刚性连接，提高分层剪切模型箱的整体抗侧移刚度并增强剪切模型箱振动的方向性，并提高模型箱的振动效果；所述的滑动式抗侧移结构承受模型箱大部分竖向自重压力，减少滚动式结构的挤压变形，提高模型箱的使用寿命；所述长边的下表面为贯通滑槽；所述质量与刚度协调周期结构相邻结构之间的滑动式抗侧移结构与贯通滑槽一一对应；所述空心变截面单向剪切模型箱为试验土体提供自由场地边界条件；所述质量与刚度协调周期结构的竖直剖面为镂空构造、所述模型箱整体竖直剖面为渐变构造与滑动式抗侧移结构联合作用实现模型箱质量与刚度的协调；所述质量与刚度协调周期结构和消能结构用于实现模型箱与试验土体的协同运动；优选的，所述的滑动式抗侧移机构为凸起插销式构造；优选的，所述的滚动式结构和滑动式抗侧移结构关于长边和短边中轴线对称。

进一步地，所述的空心变截面单向剪切模型箱为超重力振动台单向剪切模型箱，适用于超重力场，所述超重力场的离心加速度≥50g，优选离心加速度≥75g，更优选离心加速度≥100g。

进一步地，所述模型箱长边尺寸≥2m，优选模型箱长边尺寸≥3m。所述模型箱的长边即为所述质量与刚度协调周期结构的长边。

进一步地，所述模型箱高度≥0.5m，优选模型箱高度≥0.75m，更优选模型箱高度≥1m。

进一步地，所述的镂空构造为一个或多个空心构造，空心构造的位置关于周期结构竖向剖面中性轴对称。

进一步地，所述的周期结构竖向剖面形状设计按简支梁受均布荷载处理并需满足以下关系：

其中，L为周期结构长边的长度，ρ为试验土体的密度，n为超重力倍数，g为重力加速度，h′为模型箱顶部与周期结构之间的距离，E为周期结构的弹性模量，I为周期结构竖直剖面的惯性矩，Δ为周期结构的侧移限值。同时，n按照模型箱适用的最大超重力进行取值，不同周期结构的截面设计根据的h′不同通过调整截面惯性矩I使得各个周期结构的侧移值大小相等。

进一步地，所述的质量与刚度协调周期结构的滚动式结构和凹槽为一一对应或单个凹槽内放置一个或多个滚动式结构。

进一步地，所述的质量与刚度协调周期结构短边的滚动式结构和凹槽与长边的滚动式结构和凹槽相同或不同；例如，所述短边的滚动式结构和凹槽为一一对应，而长边的滚动式结构和凹槽为单个凹槽内放置一个或多个滚动式结构。

进一步地，所述的质量与刚度协调周期结构的滑动式抗侧移结构由分段式结构构成，用于减少累积侧移变形对模型箱的导向性产生的不利影响，滑动式抗侧移结构的整体长度不小于周期结构长边的三分之一。优选的，滑动式抗侧移结构可以分为三段等长结构。

进一步地，所述的质量与刚度协调周期结构的短边中部设置限位机构，用于限制周期结构的层间变形；优选的，所述的限位机构为富余长度的薄钢片；更优选的，所述的富余长度为层间剪切位移的限值γΔh，γ为层间剪应变，Δh为周期结构的高度。

进一步地，所述的模型箱整体竖直剖面为渐变构造，其渐变角度范围为0°～10°，优选的，渐变角度范围为0°～5°。所述渐变角度以竖直方向为起始边与模型箱倾斜边之间的夹角。

进一步地，所述的消能结构为轻质多孔结构构造，对边界地震波的反射具有显著的吸收作用，减少边界效应的影响。优选的，消能结构为双层橡胶膜结构，双层橡胶膜之间填充有润滑油脂；优选的，消能结构为海绵构造和橡胶膜组合构造，橡胶膜与试验土体相接触，海绵填充在橡胶膜和剪切模型箱中间。

进一步地，所述的滚动式结构为滚轴。

进一步地，所述的滑动式抗侧移机构为凸起插销式构造；所述的滑动式抗侧移结构为滑轨。

本发明的有益效果是：

(1)空心变截面剪切模型箱可用于单向振动台上，适用于常重力振动台试验和超重力振动台试验，为试验土体提供侧限边界条件，具体的模型尺寸和参数需要根据相应的试验要求而确定。尤其适用于超重力单向振动台试验，特别适用于离心加速度倍数(N≥100)很大、模拟尺度需达到300m的超重力振动台试验。

(2)通过对模型箱的截面进行合理化设计，包括采用与模型箱高度成线性关系的变截面设计和对周期结构竖直剖面采用根据刚度进行镂空设计，整体大幅度降低模型箱的质量，有效提高振动台的使用效率并提高模型箱的模拟尺度。

(3)通过在质量与刚度协调周期结构的短边上表面布置有滚动式结构和凹槽，滚动式结构放置在凹槽内并且能够自由滚动，构成周期结构与实验土体协同运动的辅助机构；通过在质量与刚度协调周期结构的长边上表面两端布置有滚动式结构和凹槽，中间位置处布置有分段式滑动式抗侧移结构，构成周期结构与试验土体的协同运动的主要机构。周期结构的滚动式结构和滑动式抗侧移结构组合使用可实现周期结构与试验土体的同步运动、抑制多向振动的产生并减少对试验土体产生额外作用力，周期结构内表面设置有消能结构，有效吸收地震波的反射并高效减少边界效应的影响，从而实现周期结构与试验土体的协同运动。

(4)质量与刚度协调周期结构的滑动式抗侧移结构实现相邻周期结构的整体刚性连接，提高分层剪切模型箱的整体抗侧移刚度；滑动式抗侧移结构承受模型箱大部分竖向自重压力，减少滚动式结构的挤压变形，提高模型箱的使用寿命；滑动式抗侧移结构采用分段式结构布置形式，减少结构侧移变形的累积，提高使用性能。

(5)空心变截面剪切模型箱的侧移变形控制在1％以内，整体质量相对于实心非变截面设计减重三分之一以上，在保证模型箱的侧向刚度的同时实现了模型箱的减负，解决了模型箱质量与刚度的矛盾。

(6)空心变截面剪切模型箱边界处的高阶振动模态产生的边界效应比较小。

(7)针对不同的试验要求，可自由增减周期结构以调整模型箱的高度，提高了模型箱的适用性和重复利用性，大幅度节省模型箱的制备时间。

附图说明书

图1是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱的立体示意图。

图2是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱的质量与刚度协调周期结构上表面平面图。

图3是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱的质量与刚度协调周期结构下表面平面图。

图4是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱的A-A剖面图。

图5是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱的B-B剖面图。

图6是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱的C-C剖面图。

图7是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱的D-D剖面图。

图8是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱的E-E剖面图。

图9是本发明所述空心变截面单向剪切模型箱中滚动式结构的示意图。

图中，1、模型箱底板，2、质量与刚度协调周期结构，3、消能结构，4、试验土体，5、润滑油脂，6、短边滚动式结构，7、滑动式抗侧移结构，8、长边滚动式结构，9、空心截面构造，10、贯通滑槽，11、长边凹槽，12、短边凹槽，13、螺栓，14、限位机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种空心变截面单向剪切模型箱，所述剪切模型箱由多个质量与刚度协调周期结构自上而下依次叠合而成，所述质量与刚度协调周期结构的水平剖面形状为矩形、竖直剖面为顶部小、底部大的形状，竖直剖面为镂空构造，所述模型箱整体竖直剖面为渐变构造；所述的质量与刚度协调周期结构之间采用滚动式结构和滑动式抗侧移结构连接；所述的剪切模型箱内壁设有消能结构；

所述质量与刚度协调周期结构的短边与模型箱的振动方向垂直，所述短边的上表面布置有滚动式结构和凹槽，为实现所述周期结构与实验土体协同运动的辅助机构，所述的滚动式结构放置在凹槽内并且能够自由滚动，所述短边的下表面为光滑面并与下一层的滚动式结构相接触；

所述质量与刚度协调周期结构的长边与所述模型箱的振动方向平行，所述长边的上表面两端布置有滚动式结构和凹槽，中间位置处布置有滑动式抗侧移结构，所述滚动式结构与滑动式抗侧移结构联合作用实现所述周期结构与试验土体的同步运动、抑制多向振动的产生并减少对试验土体产生额外作用力，为实现周期结构与试验土体的协同运动的主要机构，所述滚动式结构放置在凹槽内并且能够自由滚动，所述滑动式抗侧移结构用于实现相邻周期结构的整体刚性连接，提高分层剪切模型箱的整体抗侧移刚度并增强剪切模型箱振动的方向性；所述长边的下表面为贯通滑槽；所述质量与刚度协调周期结构相邻结构之间的滑动式抗侧移结构与贯通滑槽一一对应；所述质量与刚度协调周期结构的竖直剖面为镂空构造、所述模型箱整体竖直剖面为渐变构造与滑动式抗侧移结构联合作用实现模型箱质量与刚度的协调；所述质量与刚度协调周期结构和消能结构用于实现模型箱与试验土体的协同运动；优选的，所述的滚动式结构和滑动式抗侧移结构关于长边和短边中轴线对称；优选的，所述的质量与刚度协调周期结构短边的滚动式结构和凹槽与长边的滚动式结构和凹槽相同或不同。

进一步地，所述的空心变截面单向剪切模型箱为超重力场振动台单向剪切模型箱，适用于超重力场，所述超重力场的离心加速度≥50g，优选离心加速度≥75g，更优选离心加速度≥100g。

进一步地，所述模型箱长边尺寸≥2m，优选模型箱长边尺寸≥3m。所述模型箱的长边即为所述质量与刚度协调周期结构的长边。

进一步地，所述模型箱高度≥0.5m，优选模型箱高度≥0.75m，更优选模型箱高度≥1m。

用于振动台实验的空心变截面剪切模型箱包括，模型箱底板1、质量与刚度协调周期结构2、消能结构3、试验土体4、润滑油脂5、短边滚动式结构6、滑动式抗侧移结构7、长边滚动式结构8、空心截面构造9、贯通滑槽10、长边凹槽11、短边凹槽12、螺栓13、限位机构14。空心变截面剪切模型箱由质量与刚度协调周期结构2依次叠合在模型箱底板1上而形成，对试验土体4提供侧限边界条件。质量与刚度协调周期结构2由短边滚动式结构6、滑动式抗侧移结构7、长边滚动式结构8、空心截面构造9、贯通滑槽10、长边凹槽11、短边凹槽12组成，其中短边滚动式结构6放置在短边凹槽12内，并用润滑油脂5进行润滑形成短边滚动式结构；短边滚动式结构8放置在短边凹槽11内，并用润滑油脂5进行润滑形成长边滚动式结构；抗侧移结构为凸起机构由滑动式抗侧移结构7连接贯通滑槽10，将模型箱进行整体刚性连接提高模型箱的整体抗侧移刚度，并用润滑油脂进行润滑。滚动式结构和滑动式抗侧移结构联合作用实现周期结构与试验土体的同步运动、抑制多向振动的产生并减少对试验土体产生额外作用力，为实现周期结构与试验土体的协同运动的主要机构。消能结构由两层橡胶膜组成，橡胶膜与橡胶膜之间填充润滑油脂5如硅油，橡胶膜未涂润滑油脂的一面分别与模型箱和试验土体11相接触，以此实现橡胶膜与橡胶膜之间的相对自由变形，同时吸收边界面上的地震波的反射，降低边界效应的影响。质量与刚度协调周期结构和消能结构共同作用可以实现模型箱与试验土体的协同运动。在相邻的质量与刚度协调周期结构2上安装有螺栓13，螺栓9下面压着限位结构14如有富余长度的薄钢片，以此周期结构的相对位移提高模型箱使用的安全性和耐久性。

进一步地，所述的镂空构造为一个或多个空心构造，空心构造的位置关于周期结构竖向剖面中性轴对称。

进一步地，所述的周期结构竖向剖面形状设计按简支梁受均布荷载处理并需满足以下关系：

其中，L为周期结构长边的长度，ρ为试验土体的密度，n为超重力倍数，g为重力加速度，h′为模型箱顶部与周期结构之间的距离，E为周期结构的弹性模量，I为周期结构竖直剖面的惯性矩，Δ为周期结构的侧移限值。同时，n按照模型箱适用的最大超重力进行取值，不同周期结构的截面设计根据的h′不同通过调整截面惯性矩I使得各个周期结构的侧移值大小相等。

进一步地，所述的质量与刚度协调周期结构的滚动式结构和凹槽为一一对应或单个凹槽内放置一个或多个滚动式结构。

进一步地，所述的质量与刚度协调周期结构的滑动式抗侧移结构由分段式结构构成，用于减少累积侧移变形对模型箱的导向性产生的不利影响，滑动式抗侧移结构的整体长度不小于周期结构长边的三分之一。

进一步地，所述的质量与刚度协调周期结构的短边中部设置限位机构，用于限制周期结构的层间变形；优选的，所述的限位机构为富余长度的薄钢片。

进一步地，所述的模型箱整体竖直剖面为渐变构造，其渐变角度范围为0°～10°，优选的，渐变角度范围为0°～5°。

进一步地，所述的消能结构为轻质多孔结构构造，对边界地震波的反射具有显著的吸收作用，减少边界效应的影响。优选的，消能结构为双层橡胶膜结构，双层橡胶膜之间填充有润滑油脂；优选的，消能结构为海绵构造和橡胶膜组合构造，橡胶膜与试验土体相接触，海绵填充在橡胶膜和剪切模型箱中间。

进一步地，所述的滚动式结构为滚轴。

进一步地，所述的滑动式抗侧移机构为凸起插销式构造；所述的滑动式抗侧移结构为滑轨。

以下为两个具体的单向剪切模型箱。

空心变截面剪切模型箱1采用矩形金属环叠合而成，金属环内径的长边为3000cm，短边长1000cm，模型箱顶部宽度为2cm，底部宽度为10cm，从顶部到底部宽度成线性分布，模型箱铝合金环一共10层，每层高度8cm，层间缝隙高度为3mm，叠合后整体高度为83cm。各个金属环由高强轻质铝镁合金制作而成，在金属环中部采用空心截面构造，镂空截面形状为矩形，矩形镂空高度为4cm，最上层镂空宽度为1cm，最下层镂空宽度为7cm，中间各层镂空宽度成线性关系。矩形铝合金环短边底部为平整光滑面，长边底部贯通滑槽采用中间镂空结构构造，镂空形状为蘑菇状，底部宽1.5cm，高0.8cm，上部圆弧半径0.8cm。铝合金环顶部短边构造为6个均匀分布的短边滚轴槽，槽宽1.5cm、深1.1cm，滚轴直径1.4cm，长度为10cm，滚轴与滚轴槽之间填充有润滑油脂。铝合金环顶部长边构造为两端部设置滚轴槽放置滚轴，中间设置凸起分段式滑轨；滚轴槽的宽度为1.5cm，深1.1cm，滚轴直径1.4cm，滚轴与滚轴槽之间填充润滑油脂，滚轴长度与各层铝合金环宽度相同，单侧滚轴个数为6个，相邻间距为15cm；分段式滑轨位于长边中间位置处，共4段，每段长25cm，间隔4cm，整体形状为蘑菇状与定向滑轨滑槽形状一致，宽度为1.3cm，高1.1cm，上部圆弧半径为0.7cm，定向滑轨与滑槽之间填充有润滑油脂。在模型箱短边中部设有螺栓，螺栓上固定了有富余长度的薄钢片，富裕长度为2mm。在模型箱与试验土体之间有双层橡胶膜，双层橡胶模之间涂有润滑油脂，减弱边界效应的影响。上述的铝合金环全部固定到铝合金底板上形成整个单向剪切模型箱。

空心变截面剪切模型箱2采用矩形金属环叠合而成，铝合金环内径的长边为3200cm，短边长1200cm，模型箱顶部宽度为3cm，底部宽度为12cm，从顶部到底部宽度成线性分布，模型箱铝合金环一共10层，每层高度10cm，层间缝隙高度为3mm，叠合后整体高度为103cm。各个金属环由高强轻质硼铝合金制作而成，在金属环中部采用空心截面构造，镂空截面形状为矩形，矩形镂空高度为4cm，最上层镂空宽度为1.2cm，最下层镂空宽度为7.5cm，中间各层镂空宽度成线性关系。矩形铝合金环短边底部为平整光滑面，长边底部贯通滑槽采用中间镂空结构构造，镂空形状为蘑菇状，底部宽1.5cm，高0.8cm，上部圆弧半径0.8cm。铝合金环顶部短边构造为6个均匀分布的短边滚轴槽，槽宽1.5cm、深1.1cm，滚轴直径1.4cm，长度为10cm，滚轴与滚轴槽之间填充有润滑油脂。铝合金环顶部长边构造为两端部设置滚轴槽放置滚轴，中间设置凸起分段式滑轨；滚轴槽的宽度为1.5cm，深1.1cm，滚轴直径1.4cm，滚轴与滚轴槽之间填充润滑油脂，滚轴长度与各层铝合金环宽度相同，单侧滚轴个数为7个，相邻间距为15cm；分段式滑轨位于长边中间位置处，共4段，每段长30cm，间隔5cm，整体形状为蘑菇状与定向滑轨滑槽形状一致，宽度为1.3cm，高1.1cm，上部圆弧半径为0.7cm，定向滑轨与滑槽之间填充有润滑油脂。在模型箱短边中部设有螺栓，螺栓上固定了有富余长度的薄钢片，富裕长度为2mm。在模型箱与试验土体之间有海绵与橡胶膜组合结构，橡胶膜与试验土体相接触，橡胶膜与模型箱之间填充海绵，以此吸收地震动在边界面上的反射能力。

利用传感器对模型箱和模型土体的变形进行监测可以反映模型箱与试验土体的运动协同性以及质量控制效果和刚度控制效果。经实验测定，要实现侧向刚度等效控制，变截面空心截面结构设计相对于等截面实心截面结构设计节省质量约三分之一。在100g的超重力环境下对上述模型箱和试验土体进行测定，主要是在实验土体中部和边界的不同水平位置处以及模型箱上埋置三向加速度计；在单向振动标定实验中，模型箱底部只测试到单向振动信号，其它两个方向未测到加速度信号，且单向振动信号与输入振动信号相同；顶部加速度计测到三向加速度信号，其他两个方向上的峰值加速度信号值是主要振动方向上峰值加速度的3％，表明该模型箱在振动中不会产生三向振动；模型箱上加速度信号与土体振动加速度信号同步不存在相位差，表明模型箱能够与试验土体同步运动；边界处的加速度与模型中部的加速度信号峰值差5％以内，表明边界效应较小。利用激光位移计对侧向变形进行监测，峰值变形为2mm，小于1％的侧向变形量，处于限值范围内，侧向刚度控制良好。利用摩擦测试仪进行测试，滑轨与滚轴的组合摩擦力比较小，表明模型箱剪切效果良好。利用加速度计对模型箱的边框和边界处的试验土体加速度进行对比，发现两处的峰值加速度一致且加速度时程曲线上的毛刺比较少，说明高阶模态的影响很小。上述模型箱是在100g超重力环境下测试的，效果良好，在常重力环境下测试具有更加优异的效果。

Claims (10)

1.一种空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述剪切模型箱由多个质量与刚度协调周期结构自上而下依次叠合而成，所述质量与刚度协调周期结构的水平剖面形状为矩形，竖直剖面为顶部小、底部大的形状，竖直剖面为镂空构造，所述模型箱整体竖直剖面为渐变构造；所述的质量与刚度协调周期结构之间采用滚动式结构和滑动式抗侧移结构连接；所述的剪切模型箱内壁设有消能结构；

所述质量与刚度协调周期结构的短边与模型箱的振动方向垂直，所述短边的上表面布置有滚动式结构和凹槽，为实现所述周期结构与实验土体协同运动的辅助机构，所述的滚动式结构放置在凹槽内并且能够自由滚动，所述短边的下表面为光滑面并与下一层的滚动式结构相接触；

所述质量与刚度协调周期结构的长边与所述模型箱的振动方向平行，所述长边的上表面两端布置有滚动式结构和凹槽，中间位置处布置有滑动式抗侧移结构，所述滚动式结构与滑动式抗侧移结构联合作用实现所述周期结构与试验土体的同步运动、抑制多向振动的产生并减少对试验土体产生额外作用力，为实现周期结构与试验土体的协同运动的主要机构，所述滚动式结构放置在凹槽内并且能够自由滚动，所述滑动式抗侧移结构用于实现相邻周期结构的整体刚性连接，提高分层剪切模型箱的整体抗侧移刚度并增强剪切模型箱振动的方向性；所述长边的下表面为贯通滑槽；所述质量与刚度协调周期结构相邻结构之间的滑动式抗侧移结构与贯通滑槽一一对应；所述质量与刚度协调周期结构的竖直剖面为镂空构造、所述模型箱整体竖直剖面为渐变构造与滑动式抗侧移结构联合作用实现模型箱质量与刚度的协调；所述质量与刚度协调周期结构和消能结构用于实现模型箱与试验土体的协同运动；优选的，所述的滚动式结构和滑动式抗侧移结构关于长边和短边中轴线对称；优选的，所述的质量与刚度协调周期结构短边的滚动式结构和凹槽与长边的滚动式结构和凹槽相同或不同。

2.根据权利要求1所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述的空心变截面单向剪切模型箱为超重力振动台单向剪切模型箱，所述超重力场的离心加速度≥50g，优选离心加速度≥75g，更优选离心加速度≥100g。

3.根据权利要求1所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述模型箱长边尺寸≥2m，优选模型箱长边尺寸≥3m。

4.根据权利要求1所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述模型箱高度≥0.5m，优选模型箱高度≥0.75m，更优选模型箱高度≥1m。

5.根据权利要求1-4任一项所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述的镂空构造为一个或多个空心构造，空心构造的位置关于周期结构竖向剖面中性轴对称。

6.根据权利要求1-4任一项所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述的周期结构竖向剖面形状设计按简支梁受均布荷载处理并需满足以下关系：

<mrow> <mfrac> <mrow> <mn>5</mn> <msup> <mi>L</mi> <mn>4</mn> </msup> <msup> <mi>&amp;rho;ngh</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> <mrow> <mn>384</mn> <mi>E</mi> <mi>I</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

其中，L为周期结构长边的长度，ρ为试验土体的密度，n为超重力倍数，g为重力加速度，h′为模型箱顶部与周期结构之间的距离，E为周期结构的弹性模量，I为周期结构竖直剖面的惯性矩，Δ为周期结构的侧移限值，n按照模型箱适用的最大超重力进行取值，不同周期结构的截面设计根据的h′不同通过调整截面惯性矩I使得各个周期结构的侧移值大小相等。

7.根据权利要求1-4任一项所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述的质量与刚度协调周期结构的滚动式结构和凹槽为一一对应或单个凹槽内放置一个或多个滚动式结构。

8.根据权利要求1-4任一项所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述的质量与刚度协调周期结构的滑动式抗侧移结构由分段式结构构成，滑动式抗侧移结构的整体长度不小于周期结构长边的三分之一。

9.根据权利要求1-4任一项所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述的质量与刚度协调周期结构的短边中部设置限位机构，用于限制周期结构的层间变形；优选的，所述的限位机构为富余长度的薄钢片。

10.根据权利要求1-4任一项所述的空心变截面单向剪切模型箱，其特征在于：所述的模型箱整体竖直剖面为渐变构造，其渐变角度范围为0°～10°，优选的，渐变角度范围为0°～5°；更优选的，所述的富余长度为层间剪切位移的限值γΔh，γ为层间剪应变，Δh为周期结构的高度。