CN108414686A

CN108414686A - 一种模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置

Info

Publication number: CN108414686A
Application number: CN201810117710.0A
Authority: CN
Inventors: 章敏; 张大伟; 李子阳; 牛晓波; 苏锋
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2018-08-17
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: CN108414686B

Abstract

本发明提供一种模拟基础纵‑横向非线性支承刚度的试验装置，属于桩基工程的技术领域，包括顶端开口的内筒和外筒、扭转非线性支承模块、横向非线性支承模块以及纵向非线性支承模块；内筒套设在外筒内，且能在外筒内纵向运动；扭转非线性支承模块包括托盘、齿轮、第一横向滑槽、套盒、第一横向滑块和齿杆；横向非线性支承模块包括纵向滑槽、纵向滑块、分离箱和横向加载杆；纵向非线性支承模块包括第二横向滑槽、第二横向滑块和纵向加载杆。本发明实现了基础对上部结构立柱的纵‑横向非线性支承的模拟，为开展上部支承结构(如海上导管架，桩承结构)室内模型试验提供了底部支承条件。

Description

一种模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置

技术领域

本发明涉及桩基工程的技术领域，特别是涉及一种模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置。

背景技术

目前，结构模型试验往往将上部结构的立柱柱端与基础脱开（即认为底部固结），忽略上部结构与基础的共同作用，考虑成独立结构。然而，实际工程中上部结构与基础总是共同工作的，它们是不可分割的一个整体。将上部结构和基础分割开来，各自考虑受力并进行计算，这对较小建筑物或简单结构，误差一般不至于影响结构安全或增加造价。然而，对那些规模较大，荷载多样，上部结构复杂的建筑物，采用仅满足静力平衡条件的方法而不考虑两者之间的共同作用，将会引起较大的误差。在上部结构模型试验中，如高层建筑、桥梁和海上导管架等结构，往往将底部立柱直接与实验室地面连接，视为理想嵌固条件，忽略基础对结构的实际支承作用。由于在上部结构建造过程中，基础本身(如桩基础)与下卧土层均会发生压缩变形，相当于将结构置于弹簧支座之上，故此假定底部为理想嵌固条件可能存在较大误差。当考虑地基的刚度后，基础底面在水平荷载作用下发生转动，结构自振周期加长，顶点位移增大。特别是对于高宽比大的高层建筑结构，侧向刚度起控制作用，基础刚度对结构抗震性能的影响尤为显著。因此，在结构模型试验中，有必要考虑基础支承刚度对上部结构力学特性的影响。

中国发明专利CN106500959A，公开了一种用于模拟海洋环境荷载的装置，该装置将导管腿通过螺栓直接与矩形混凝土基础连接。在该装置中将桩基础直接简化为钢板和钢结构焊接而成的箱体结构，这弱化了基础对于上部结构的支承作用。总的说来，目前结构模型试验中，鲜有考虑基础对于上部结构支承的试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，考虑结构底部基础的实际支承作用以及基础支承刚度的非线性，以模拟基础对上部结构的支承。

本发明提供一种模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，包括顶端开口的内筒和外筒、扭转非线性支承模块、横向非线性支承模块以及纵向非线性支承模块；内筒套设在外筒内，且能在外筒内纵向运动；扭转非线性支承模块包括托盘、齿轮、第一横向滑槽、套盒、第一横向滑块和齿杆；托盘滚动设置在内筒内，用于固定上部结构立柱；齿轮固定套设在所述托盘上；第一横向滑槽的数量为两个，以上部结构立柱的中心线为对称轴对称设置在内筒内且开口朝向上部结构立柱；套盒的内侧面和外侧面具有贯通口，两个套盒通过连杆连接，滑动设置在所述第一横向滑槽内；两个第一横向滑块的曲面相对设置，通过弹簧与套盒内壁连接，且第一横向滑块从套盒外侧面上的贯通口伸出与第一横向滑槽接触；齿杆通过杆体上的锯齿部与齿轮啮合，两端从套盒内侧面上的贯通口伸入套盒内且设置有用于挤压第一横向滑块的半球体捣头；横向非线性支承模块包括纵向滑槽、纵向滑块、分离箱和横向加载杆；纵向滑槽以上部结构立柱的中心线为对称轴对称设置在内筒内且开口朝向上部结构立柱；两个纵向滑块的曲面相对设置，通过弹簧与纵向滑槽内壁连接；分离箱套设在上部结构立柱上；横向加载杆的第一端固定在分离箱上，第二端设置有用于挤压纵向滑块的半球体捣头；纵向非线性支承模块包括第二横向滑槽、第二横向滑块和纵向加载杆；第二横向滑槽设置在外筒内，开口朝向内筒的底部；两个第二横向滑块的曲面相对设置，通过弹簧与第二横向滑槽内壁连接；纵向加载杆的第一端固定在内筒的底部，第二端设置用于挤压第二横向滑块的半球体捣头。

进一步地，托盘的底面设置有向下凸出的环形隔档层；环形隔档层和内筒底部围合的空间内设置有滚珠。

进一步地，托盘的顶面设置有向外突出的用于与齿轮连接的环形安装部。

进一步地，第一横向滑槽和套盒均为矩形盒体；套盒与第一横向滑槽内壁接触的侧面、第一横向滑块与套盒内壁接触的侧面以及第一横向滑块伸出套盒与第一横向滑槽内壁接触的侧面均设置有滑轮；第一横向滑槽的内壁和套盒的内壁上均设置有与滑轮配合的滑道。

进一步地，纵向滑槽由设置在内筒内的第一挡板、内筒底部以及位于第一挡板和内筒底部之间的内筒侧壁围合而成；设置在纵向滑槽内的弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧的两端分别与第一挡板和纵向滑块连接，第二弹簧的两端分别与内筒的底部和纵向滑块连接；纵向滑块朝向所述内筒侧壁的侧面设置有滑轮。

进一步地，第二横向滑槽由相对设置在内筒底部的两个第二挡板以及位于两个第二挡板之间的内筒底部围合而成；第二横向滑块的底部设置有滑轮；位于两个第二挡板之间的内筒底部上设置有与第二横向滑块的滑轮配合的滑道。

进一步地，外筒的内壁上设置有与内筒的外壁滚动接触的侧壁滚轮。

进一步地，内筒和外筒的横截面为矩形；纵向非线性支承模块的数量为四个，分别设置在矩形的四个角上。

进一步地，模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，还包括用于封闭外筒开口的盖板；盖板上设置有供上部结构立柱穿过的通孔。

进一步地，分离箱的内周面与上部结构立柱的外周面契合，包括两个可分离的箱体；两个箱体以上部结构立柱的中心线为对称轴对称套设在上部结构立柱上，通过对拉螺栓连接。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1. 上部结构立柱在荷载作用下将发生纵向和/或横向位移，分别带动纵向加载杆挤压第二横向滑块和横向加载杆挤压纵向滑块，弹簧发生压缩，实现了基础对上部结构立柱的纵-横向非线性支承的模拟，为开展上部支承结构(如海上导管架，桩承结构)室内模型试验提供了底部支承条件；

2. 通过运用扭转非线性支承模块中齿轮和齿条的配合，将扭转运动巧妙地转化为沿水平直线运动，为向上部结构立柱施加水平偏心荷载试验的展开提供了思路；

3. 岩土体系往往呈非线性力学特性，线性只是对非线性的一种简化，本装置中第一横向滑块、纵向滑块和第二横向滑块与半球体捣头接触的侧面均为曲面，使得本装置能模拟基础支承刚度的非线性，可更为准确的模拟实际工况，提高试验与实际工况的相似性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明实施例1提供的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置的俯视图；

图2是图1所示试验装置的A-A方向的剖视图；

图3是图1所示试验装置的B-B方向的剖视图；

图4是图1所示试验装置中扭转非线性支承模块的放大图；

图5是图4所示扭转非线性支承模块中第一横向滑槽、套盒和第一横向滑块的配合图；

图6是图1所示试验装置的平面布置图；

图7是实施例2中第一横向滑块简化为斜面滑块的受力分析图；

图8是实施例2中第一横向滑块的曲线函数为y=x ²时的受力分析图；

图9是实施例2中第一横向滑块的曲线函数为x ² +y ² =a ²时的受力分析图。

标号：10-内筒；20-外筒；21-侧壁滚轮；22-盖板；31-托盘；32-齿轮；33-第一横向滑槽；34-套盒；35-第一横向滑块；36-齿杆；37-连杆；38-滚珠；41-纵向滑块；42-分离箱；43-横向加载杆；44-第一挡板；51-第二横向滑块；52-纵向加载杆；53-第二挡板；60-弹簧；71-滑轮；72-滑道；100-上部结构立柱。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，如图1至图3所示，包括顶端开口的内筒10和外筒20、扭转非线性支承模块、横向非线性支承模块以及纵向非线性支承模块；内筒10套设在外筒20内，且能在外筒20内纵向运动；扭转非线性支承模块包括托盘31、齿轮32、第一横向滑槽33、套盒34、第一横向滑块35和齿杆36；托盘31滚动设置在内筒10内，用于固定上部结构立柱100，上部结构立柱100固定在托盘31上后，在运动过程中二者不发生相对运动；齿轮32固定套设在托盘31上，与托盘31一起运动；第一横向滑槽33的数量为两个，以上部结构立柱100的中心线为对称轴对称设置在内筒10内且开口朝向上部结构立柱100；套盒34的内侧面（靠近上部结构立柱的侧面）和外侧面（远离上部结构立柱的侧面）具有贯通口，两个套盒34通过连杆37连接，滑动设置在第一横向滑槽33内；两个第一横向滑块35的曲面相对设置，通过弹簧60与套盒34内壁连接，且第一横向滑块35从套盒34外侧面上的贯通口伸出与第一横向滑槽33接触；齿杆36通过杆体上的锯齿部与齿轮32啮合，两端从套盒34内侧面上的贯通口伸入套盒34内且设置有用于挤压第一横向滑块35的半球体捣头；横向非线性支承模块包括纵向滑槽、纵向滑块41、分离箱42和横向加载杆43；纵向滑槽以上部结构立柱100的中心线为对称轴对称设置在内筒10内且开口朝向上部结构立柱100；两个纵向滑块41的曲面相对设置，通过弹簧60与纵向滑槽内壁连接；分离箱42套设在上部结构立柱100上；横向加载杆43的第一端固定在分离箱42上，第二端设置有用于挤压纵向滑块41的半球体捣头；纵向非线性支承模块包括第二横向滑槽、第二横向滑块51和纵向加载杆52；第二横向滑槽设置在外筒20内，开口朝向内筒10的底部；两个第二横向滑块51的曲面相对设置，通过弹簧60与第二横向滑槽内壁连接；纵向加载杆52的第一端固定在内筒10的底部，第二端设置用于挤压第二横向滑块51的半球体捣头。

对上部结构立柱100施加水平偏心荷载，带动托盘31转动，在齿轮32和齿条36的配合下，齿杆36上的半球体捣头挤压第一横向滑块35，使得套盒34和第一横向滑块35沿着第一横向滑槽33运动，这样的设置避免了将第一横向滑块35直接与第一横向滑槽33连接时，第一横向滑槽33通过弹簧60对第一横向滑块35施加作用力影响第一横向滑块35的受力，使第一横向滑块35的受力尽可能接近上部结构立柱100的受力。

为实现托盘31的滚动，可在托盘31的底部设置万向轮，在本实施例中，如图2或图3所示，托盘31的底面设置有向下凸出的环形隔档层；环形隔档层和内筒10底部围合的空间内设置有滚珠38，以简化整个装置的结构，更便于安装。为了延长使用寿命，滚珠38为钢珠。

进一步地，如图2或图3所示，托盘31的顶面设置有向外突出的用于与齿轮32连接的环形安装部。齿轮32可通过螺栓固定在环形安装部上。

进一步地，如图4和图5所示，第一横向滑槽33和套盒34均为矩形盒体；套盒34与第一横向滑槽33内壁接触的侧面、第一横向滑块35与套盒34内壁接触的侧面以及第一横向滑块35伸出套盒34与第一横向滑槽33内壁接触的侧面均设置有滑轮71；第一横向滑槽33的内壁和套盒34的内壁上均设置有与滑轮71配合的滑道72。通过滑轮71和滑道72的配合减小套盒34和第一横向滑块35滑动过程中的摩擦阻力，也限制了套盒34和第一横向滑块35的滑动轨道，保证滑动过程不会出现偏移，此外第一横向滑块35伸出套盒34与第一横向滑槽33内壁接触的侧面的滑轮71还用于支撑第一横向滑块35。

进一步地，为了简化装置的结构，如图2所示，纵向滑槽由设置在内筒10内的第一挡板44、内筒10底部以及位于第一挡板44和内筒10底部之间的内筒10侧壁围合而成；设置在纵向滑槽内的弹簧60包括第一弹簧和第二弹簧，第一弹簧的两端分别与第一挡板44和纵向滑块41连接，第二弹簧的两端分别与内筒10的底部和纵向滑块41连接；纵向滑块41朝向内筒10侧壁的侧面设置有滑轮71以减小纵向移动时的摩擦阻力。

进一步地，如图2所示，第二横向滑槽由相对设置在内筒10底部的两个第二挡板53以及位于两个第二挡板53之间的内筒10底部围合而成；第二横向滑块51的底部设置有滑轮71；位于两个第二挡板53之间的内筒10底部上设置有与第二横向滑块51的滑轮71配合的滑道72，以实现限位及减小摩擦的作用。

进一步地，如图2所示，外筒20的内壁上设置有与内筒10的外壁滚动接触的侧壁滚轮21，以减小内筒10在外筒20内纵向运动时的摩擦阻力。

进一步地，如图6所示，内筒10和外筒20的横截面为矩形；纵向非线性支承模块的数量为四个，分别设置在矩形的四个角上，以便能更稳定的支撑内筒10。

进一步地，如图2所示，模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，还包括用于封闭外筒20开口的盖板22；盖板22上设置有供上部结构立柱100穿过的通孔。

进一步地，分离箱42的内周面与上部结构立柱100的外周面契合，包括两个可分离的箱体；两个箱体以上部结构立柱100的中心线为对称轴对称套设在上部结构立柱100上，通过对拉螺栓连接。

实施例2

当水平荷载存在偏心时，将产生附加扭矩，上部结构立柱100发生扭转，并带动齿轮32旋转，与之啮合的齿轮32发生水平移动，挤压第一横向滑块35，从而在齿轮32上施加一对反向约束力偶。本实施例以实施例1所示模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置为基础，推导向上部结构立柱100施加水平偏心荷载时，立柱约束扭矩T与立柱转角α的函数关系。

如图7所示，基础支承刚度为线性时即第一横向滑块35由曲面简化为斜面时，立柱约束扭矩T与立柱转角α的函数关系推导如下（图中箭头方向为弹簧60压缩方向）：

以弹簧60运动方向为x轴，则半球体捣头的运动方向为y轴；

设斜面滑块倾角为θ，弹簧60刚度为k，半球体捣头所受反力为F _y，弹簧压力为F _x，斜面滑块受到的半球体捣头挤压产生的y方向位移（或半球体捣头的位移）为y，斜面滑块的x轴位移为x，易知x、y存在如下关系：

斜面滑块在x轴所受的力与F _x大小相同且方向相反，在y轴所受的力为F _y大小的二分之一且方向相反，根据受力分析可知，

将式(1)代入式(2)得，

设齿轮32半径为R，斜面滑块受到的半球体捣头挤压产生的y轴位移y即为齿轮32边缘转动的弧线长，则有

将式(4)代入式(3)得，

则立柱约束扭矩T与立柱转角α的最终关系为：

在上述推导过程的基础上，推导基础支承刚度为非线性时，立柱约束扭矩T与立柱转角α的函数关系（图中箭头方向为弹簧60压缩方向）：

如图8或图9所示，以第一横向滑块35的顶点或圆心为原点建立坐标系，设滑块曲线函数为

x=f(y) (7)

设初始状态下第一横向滑块35与半球体捣头接触点为A(X ₀ , Y ₀)，当第一横向滑块35在半球体捣头挤压下沿y轴正方向移动△y的距离，沿x轴负方向移动△x的距离后，此时接触点B(X ₀ ,Y ₀ +△y)切线与x轴夹角为θ，设初始状态下接触点A到x轴的垂直距离为t，则有

f(Y ₀)=t (8)

根据图8或图9，有

△x=f(Y ₀+△y)-f(Y ₀) (9)

且有

在非线性情况下F _y =2kx/tanθ依然成立，则有

式(11)即为半球体捣头所受力与位移的一般关系表达式，当第一横向滑块35曲线函数已知时，即可求出F _y与△y之间的具体关系。

同时由式(10)得

将式(12)和式(13)代入式(11)得

则立柱约束扭矩T与立柱转角α的最终关系为：

式中，a，t，k均为常数，当滑块设置成曲面形式时，立柱约束扭矩T与立柱转角α之间呈非线性函数关系。

同时由式(10)得

将式(18)和式(19)代入式(11)得

则立柱约束扭矩T与立柱转角α的最终关系为：

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于：包括顶端开口的内筒（10）和外筒（20）、扭转非线性支承模块、横向非线性支承模块以及纵向非线性支承模块；

所述内筒（10）套设在所述外筒（20）内，且能在所述外筒（20）内纵向运动；

所述扭转非线性支承模块包括托盘（31）、齿轮（32）、第一横向滑槽（33）、套盒（34）、第一横向滑块（35）和齿杆（36）；

所述托盘（31）滚动设置在所述内筒（10）内，用于固定上部结构立柱（100）；

所述齿轮（32）固定套设在所述托盘（31）上；

所述第一横向滑槽（33）的数量为两个，以所述上部结构立柱（100）的中心线为对称轴对称设置在所述内筒（10）内且开口朝向上部结构立柱（100）；

所述套盒（34）的内侧面和外侧面具有贯通口，两个所述套盒（34）通过连杆（37）连接，滑动设置在所述第一横向滑槽（33）内；

两个所述第一横向滑块（35）的曲面相对设置，通过弹簧（60）与套盒（34）内壁连接，且所述第一横向滑块（35）从套盒（34）外侧面上的贯通口伸出与所述第一横向滑槽（33）接触；

所述齿杆（36）通过杆体上的锯齿部与所述齿轮（32）啮合，两端从套盒（34）内侧面上的贯通口伸入所述套盒（34）内且设置有用于挤压所述第一横向滑块（35）的半球体捣头；

所述横向非线性支承模块包括纵向滑槽、纵向滑块（41）、分离箱（42）和横向加载杆（43）；

所述纵向滑槽以所述上部结构立柱（100）的中心线为对称轴对称设置在所述内筒（10）内且开口朝向上部结构立柱（100）；

两个所述纵向滑块（41）的曲面相对设置，通过弹簧（60）与纵向滑槽内壁连接；

所述分离箱（42）套设在所述上部结构立柱（100）上；

所述横向加载杆（43）的第一端固定在所述分离箱（42）上，第二端设置有用于挤压所述纵向滑块（41）的半球体捣头；

所述纵向非线性支承模块包括第二横向滑槽、第二横向滑块（51）和纵向加载杆（52）；

所述第二横向滑槽设置在所述外筒（20）内，开口朝向所述内筒（10）的底部；

两个所述第二横向滑块（51）的曲面相对设置，通过弹簧（60）与第二横向滑槽内壁连接；

所述纵向加载杆（52）的第一端固定在所述内筒（10）的底部，第二端设置用于挤压所述第二横向滑块（51）的半球体捣头。

2.根据权利要求1所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，所述托盘（31）的底面设置有向下凸出的环形隔档层；

所述环形隔档层和内筒（10）底部围合的空间内设置有滚珠（38）。

3.根据权利要求2所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，所述托盘（31）的顶面设置有向外突出的用于与所述齿轮（32）连接的环形安装部。

4.根据权利要求1-3任一项所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，所述第一横向滑槽（33）和套盒（34）均为矩形盒体；

所述套盒（34）与第一横向滑槽（33）内壁接触的侧面、所述第一横向滑块（35）与套盒（34）内壁接触的侧面以及所述第一横向滑块（35）伸出套盒（34）与第一横向滑槽（33）内壁接触的侧面均设置有滑轮（71）；

所述第一横向滑槽（33）的内壁和所述套盒（34）的内壁上均设置有与所述滑轮（71）配合的滑道（72）。

5.根据权利要求4所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，所述纵向滑槽由设置在所述内筒（10）内的第一挡板（44）、内筒（10）底部以及位于所述第一挡板（44）和内筒（10）底部之间的内筒（10）侧壁围合而成；

设置在所述纵向滑槽内的弹簧（60）包括第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧的两端分别与所述第一挡板（44）和纵向滑块（41）连接，所述第二弹簧的两端分别与所述内筒（10）的底部和纵向滑块（41）连接；

所述纵向滑块（41）朝向所述内筒（10）侧壁的侧面设置有滑轮（71）。

6.根据权利要求5所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，所述第二横向滑槽由相对设置在内筒（10）底部的两个第二挡板（53）以及位于两个所述第二挡板（53）之间的内筒（10）底部围合而成；

所述第二横向滑块（51）的底部设置有滑轮（71）；

位于两个所述第二挡板（53）之间的内筒（10）底部上设置有与所述第二横向滑块（51）的滑轮（71）配合的滑道（72）。

7.根据权利要求1所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，所述外筒（20）的内壁上设置有与所述内筒（10）的外壁滚动接触的侧壁滚轮（21）。

8.根据权利要求1或7所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，所述内筒（10）和外筒（20）的横截面为矩形；

所述纵向非线性支承模块的数量为四个，分别设置在矩形的四个角上。

9.根据权利要求1所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，还包括用于封闭外筒（20）开口的盖板（22）；

所述盖板（22）上设置有供所述上部结构立柱（100）穿过的通孔。

10.根据权利要求1所述的模拟基础纵-横向非线性支承刚度的试验装置，其特征在于，所述分离箱（42）的内周面与上部结构立柱（100）的外周面契合，包括两个可分离的箱体；

两个所述箱体以所述上部结构立柱（100）的中心线为对称轴对称套设在所述上部结构立柱（100）上，通过对拉螺栓连接。