CN108318206B - 一种面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，包括底座、层叠设置在所述底座上的箱框、设置在相邻箱框之间的滑动连接结构以及将所述箱框连接的刚度调节装置，所述刚度调节装置沿着所述箱框的外表面的周向均匀分布，所述刚度调节装置包括若干刚度调节单元，所述刚度调节单元沿同一竖直方向分布，每个刚度调节单元与数量可调整的相邻的箱框连接。本发明提供的面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，结构简单，在保证结构安全的情况下实现剪切箱刚度和基频的调节，能够通过优化较小边界效应减小试验结果误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，属于土木工程技术领域。
背景技术
振动台模型试验是研究建筑结构和地下结构在地震荷载下的动力学特性和抗震性能过程中十分重要的试验手段，相比原位试验，在试验成本和环境要求上都具备优势。
真实环境下，地震荷载从局部基岩传入无限大的土体，在平面内其能量随着传播路径逐渐衰减，在平面内的传播路径上基本不产生反射波，为避免试验箱的边界效应在模型试验中对地震荷载的反射作用而引起的误差，箱体的设计应尽可能为土体提供理想的剪切变形环境。
常用的刚性模型箱即便采用柔性材料内壁缓冲和减小反射效应，但在土体密实的情况下，柔性内壁受到初始挤压，因而难以发挥作用。柔性模型箱采用的橡胶膜壁仍需要在环向进行加强，若这些加强带在竖直方向相互联系紧密则会使边界刚度增大，而且这样的刚度增大效应难以准确的评估，若这些加强带在竖直方向相互联系太小则导致整个试验箱的刚度不足，难以承受足够的荷载。而层叠剪切箱由刚性框架在竖直方向通过轴承或滚珠接触叠合而成，能够实现面内的剪切的同时确保箱体整体的刚度。但是，仍然难以在保证结构刚度的情况下减小试验误差大，并且不能实现多向加载。
发明内容
基于以上不足，本发明要解决的技术问题是提供一种面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，结构简单，在保证结构安全的情况下实现剪切箱刚度和基频的调节，能够通过优化较小边界效应减小试验结果误差。
为了解决以上技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，包括底座、层叠设置在所述底座上的箱框、设置在相邻箱框之间的滑动连接结构以及将所述箱框连接的刚度调节装置，所述刚度调节装置沿着所述箱框的外表面的周向均匀分布，所述刚度调节装置包括若干刚度调节单元，所述刚度调节单元沿同一竖直方向分布，每个刚度调节单元与数量可调整的相邻的箱框连接。
所述刚度调节单元的两端分别设置有螺纹；所述箱框上设置有支座，所述支座上设置有通孔，所述通孔位于同一竖直方向，所述刚度调节单元依次穿过所述通孔，所述刚度调节单元的两端与螺帽螺纹连接。
所述刚度调节单元为具有刚度的材料可调的杆件。
所述滑动连接结构包括设置在所述箱框上表面的凹槽以及设置在所述凹槽内的滚珠，所述滚珠与位于上一层的箱框的底面接触。
所述箱框包括框架以及设置在所述框架上表面的垫板，所述凹槽设置在所述垫板上。
所述框架中空，且内壁为环形。
所述凹槽的深度为所述滚珠直径的1/2～4/5。
位于最底层的箱框与所述底座焊接连接。
所述底座上对称地设置若干用以吊装和移动剪切箱的吊环。
采用以上技术方案，本发明取得了以下技术效果：
(1)本发明提供的面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱结构简单，在振动荷载下，刚度调节装置的侧向刚度能够维持剪切箱的整体稳定，同时不会对土体的剪切产生过大的干扰；同时由于刚度调节装置中刚度调节单元的材料和每个刚度调节单元连接的箱框的数量可以针对不同的土体、不同的模拟环境变化，从而在保证结构安全的情况下实现剪切箱刚度和基频的调节，能够通过优化较小边界效应减小试验结果误差；
(2)刚度调节装置沿剪切试验箱深度方向的刚度调节作用可以不同，即位于不同高度的刚度调节单元的材料、粗细及其与箱框的连接方式可以不同，可以在模拟多层土振动试验时最大程度减小边界效应；
(3)箱框的框架为环形，并且刚度调节装置在箱框的外表面的周向均匀分布，因此可以实现面内多向的振动加载。
附图说明
图1为本发明面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱的主视图；
图2为本发明面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱的俯视图；
图3为本发明面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱的滑动连接结构的结构图；
图4为试验一的刚度调节装置的分布与连接示意图；
图5为试验二的刚度调节装置的分布与连接示意图。
具体实施方式
如图1-图5所示，本发明提供的一种面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，包括底座1、层叠设置在底座1上的箱框2、设置在相邻箱框2之间的滑动连接结构3以及将箱框2连接的刚度调节装置4，刚度调节装置4沿着所述箱框2的外表面的周向均匀分布，所述刚度调节装置4包括若干刚度调节单元41，所述刚度调节单元41沿同一竖直方向分布，每个刚度调节单元41与数量可调整的相邻的箱框2连接。
如图1-图3所示，底座1上对称地设置若干用以吊装和移动剪切箱的吊环5。位于最底层的箱框2与所述底座1通过焊接的方式固定连接，底座1上设置有与振动试验台表面螺孔配合的安装孔，用以通过螺杆将底座1固定在振动试验台上。相邻箱框2之间通过滑动连接结构3连接。箱框2包括框架21以及设置在所述框架21上表面的垫板22，框架21是由首尾拼接的钢板焊接而成，其横截面为中空矩形，框架内壁为环形。垫板22上设置有球形的凹槽31。滑动连接结构3包括凹槽31以及设置在凹槽31内的滚珠32，滚珠32与位于上一层的箱框2的底面接触。凹槽31的深度可以为滚珠32直径的1/2～4/5，本实施例中，凹槽31 的深度为所述滚珠32直径的2/3。
其中，刚度调节装置包括若干刚度调节单元，刚度调节单元沿同一竖直方向分布，每个刚度调节单元与若干相邻的箱框连接。本实施例中，刚度调节单元41为具有刚度的材料可调的杆件，具有一定的侧向变形刚度，其材料的改变可调节剪切箱的基频。本实施例中刚度调节单元41为金属杆，两端分别设置有螺纹；所述箱框2上均设置有支座6，所述支座6上设置有通孔，所述通孔位于同一竖直方向，刚度调节单元41依次穿过所述通孔，所述刚度调节单元41的两端与螺帽7螺纹连接，由螺帽7锁紧其穿过的若干带有通孔的支座6。通过此结构，金属杆可以将若干层相邻的箱框2连接，同一金属杆连接的箱框的层数可以调节，位于不同高度的刚度调节单元与箱框的连接方式可以不同，刚度调节单元的材料和粗细也可以调节，上层箱框的刚度和下层箱框的刚度不同，可以调节系统的基频，从而可以最大程度减小边界效应。
通过改变金属杆的材质，可以调节系统的基频，下面通过两个有限元试验具体说明：
试验一：
如图4所示，本试验中，吊环5的数量为4个，箱框2共15层，箱框2为钢。滑动连接结构3和刚度调节装置4沿周向均匀分布16组，金属杆直径为20mm，通过螺帽连接上下 2～3个相邻的支座6。
根据有限元计算结果，当所述金属杆的材质发生变化时，系统的基频如表1所示：表1 为试验一中剪切箱内加入不同参数的土体后的系统基频
| 金属杆材质 | 铝 | 铜 | 铸铁 | 钢 |
| 弹性模量(Mpa) | 70 | 120 | 170 | 206 |
| 密度(g/cm3) | 2.7 | 8.9 | 7.4 | 7.85 |
| 系统基频(Hz) | 8.26 | 5.95 | 7.78 | 8.31 |
表一
试验二：
如图5所示，本试验中，吊环5的数量为4个，箱框2共15层，箱框2为钢。滑动连接结构3沿周向均匀分布16组，刚度调节装置4沿周向均匀分布8组，所述金属杆通过螺帽连接上下3～4个相邻的支座6。
根据有限元计算结果，当所述金属杆的材质发生变化时，系统的基频如表2所示，表2 为试验二中剪切箱内加入不同参数的土体后的系统基频。
| 金属杆材质 | 铝 | 铜 | 铸铁 | 钢 |
| 弹性模量(Mpa) | 70 | 120 | 170 | 206 |
| 密度(g/cm3) | 2.7 | 8.9 | 7.4 | 7.85 |
| 系统基频(Hz) | 13.42 | 9.68 | 12.63 | 13.50 |
表二
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，其特征在于：包括底座、层叠设置在所述底座上的箱框、设置在相邻箱框之间的滑动连接结构以及将所述箱框连接的刚度调节装置，所述刚度调节装置沿着所述箱框的外表面的周向均匀分布，所述刚度调节装置包括若干刚度调节单元，所述刚度调节单元沿同一竖直方向分布，每个刚度调节单元与数量可调整的相邻的箱框连接；
所述刚度调节单元的两端分别设置有螺纹；所述箱框上设置有支座，所述支座上设置有通孔，所述通孔位于同一竖直方向，所述刚度调节单元依次穿过所述通孔，所述刚度调节单元的两端与螺帽螺纹连接；
所述刚度调节单元为具有刚度的材料可调的杆件；
所述滑动连接结构包括设置在所述箱框上表面的凹槽以及设置在所述凹槽内的滚珠，所述滚珠与位于上一层的箱框的底面接触。
2.根据权利要求1所述的面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，其特征在于：所述箱框包括框架以及设置在所述框架上表面的垫板，所述凹槽设置在所述垫板上。
3.根据权利要求2所述的面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，其特征在于：所述框架中空，且内壁为环形。
4.根据权利要求1或2所述的面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，其特征在于：所述凹槽的深度为所述滚珠直径的1/2～4/5。
5.根据权利要求1所述的面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，其特征在于：位于最底层的箱框与所述底座焊接连接。
6.根据权利要求1所述的面内多向加载的基频可调式振动台模型试验剪切箱，其特征在于：所述底座上对称地设置若干用以吊装和移动剪切箱的吊环。
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