CN109540437B - 一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置及其使用方法，包括振动台、H型钢、施加装置、衔接装置、加密钢筋组件和限位组件，振动台上顶板上表面固定安装有H型钢，H型钢上翼缘的上表面设有施加装置，施加装置具体为千斤顶。该发明装置通过附加钢板以及使用加长的螺栓将其进行牢固结合，避免了混凝土框架柱子与煤矿采动作用施加装置的相对错动，进而实现煤矿采动作用施加装置与底座H型钢的牢固结合，模拟真实工况中的固定端约束，进而模拟煤炭采动过程中建筑物沉降的不同工况，并且解决了煤炭采动作用施加装置与混凝土柱子之间材料性质差异较大，无法进行焊接，不能重复使用煤矿采动作用施加装置的问题。
Description
技术领域
本发明涉及采动区建筑物抗震性能裂化分析模拟技术领域，具体为一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置及其使用方法。
背景技术
据国有重点煤矿的不完全统计资料，目前我国“三下”压煤约137.9亿吨，其中建筑物下压煤为87.6亿吨。随着社会经济的发展，矿区地面建筑物还在逐渐增多，建筑物下压煤开采已成为许多矿区面临的主要问题，严重制约着矿区的可持续发展，因此，进行建筑物下采煤研究具有十分重要的理论和实际意义。迄今为止，世界各产煤国家进行了大量的建筑物下采煤研究和实践工作，取得了丰硕的研究成果，为推动建筑物下采煤事业的发展作出了巨大的贡献。
煤炭开采后所形成的煤矿采空区对于地面建筑是一个极大的潜在威胁；当地下矿物(如煤炭、金属矿石等)从地下被开采出来后,采出空间周围的岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动,其上部覆岩体失去支撑而导致原来的岩层应力平衡状态破坏。为达到新的应力平衡状态,采动空附近的岩层进行应力重分布,在此过程中,采空区周围的岩体向采空区逐渐移动、弯曲变形和破坏,此时岩体的移动和变形会向外、向上扩展移动,直至波及采动区上方的地表,此时采动区地层内部岩石的强度、内聚力都发生了衰减,进而导致地表发生塌陷、裂缝等多种形式的破坏变形,直到采空区上覆岩层整体下沉；煤矿开采引起的地表移动变形，不仅会严重降低和削减建筑物的抗震性能，而且发生地震时会加剧地面的开裂和塌陷。因此，开展采动区地震—开采沉陷变形对建筑物的耦合作用机理的理论和试验研究无论从经济效益、社会效益还是学术价值角度考虑都具有非常重要的现实意义，对于提高采动区建筑结构抗变形—抗震性能具有一定的指导意义，而地震模拟振动台试验获得地震工程知识的重要方法之一，通过振动台台面输入地震动来模拟地震对工程结构模型的惯性作用，然后得到模型结构的动力反应，获得工程结构抗震性能的一系列指标，为工程实践提供理论参考和指导意义，但是针对振动台实验中通过煤矿采动作用施加装置实现混凝土框架结构不均匀沉降时，混凝土柱子与煤矿采动作用施加装置之间不同材料的构件存在不便于衔接的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置及其使用方法，本发明通过附加钢板以及使用加长的螺栓将其进行牢固结合，避免了混凝土框架柱子与煤矿采动作用施加装置的相对错动，进而实现煤矿采动作用施加装置与底座H型钢的牢固结合，模拟真实工况中的固定端约束，进而模拟煤炭采动过程中建筑物沉降的不同工况，并且解决了煤炭采动作用施加装置与混凝土柱子之间材料性质差异较大，无法进行焊接，不能重复使用煤矿采动作用施加装置的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，包括振动台、H型钢、施加装置、衔接装置、加密钢筋组件和限位组件，振动台上顶板上表面固定安装有H型钢，H型钢上翼缘的上表面设有施加装置，施加装置具体为千斤顶，千斤顶上表面通过衔接装置固定安装有加密钢筋组件；
所述衔接装置包括第一钢板、第二钢板和第一螺栓，所述千斤顶上表面焊接有第一钢板，第一钢板上表面设置有第二钢板，第二钢板上表面设置有加密钢筋组件，所述第一钢板、第二钢板和H型钢上翼缘通过第一螺栓螺接，且第一螺栓位于H型钢上翼缘下表面一侧螺接有螺母。
所述加密钢筋组件包括六个U型第一钢筋和两个等长的第二钢筋，两个第二钢筋平行相对设置，沿第二钢筋延伸方向等间距设置四个第一钢筋，且四个第一钢筋的U型底八个拐点对应的设置在两个第二钢筋上，另两个第一钢筋的U型底与第二钢筋等长，平行于第二钢筋设置，且另两个第一钢筋的U型底四个拐点对应设置在第一钢筋上，相邻两个第一钢筋之间或者第一钢筋与相邻第二钢筋之间等距设置。
所述限位组件包括多个第一卡头和多个第二卡头，多个所述第一卡头安装在第一钢板的下表面四周，且多个第二卡头安装在H型钢上翼缘四周，所述施加装置焊接在限位组件的内侧。
所述加密钢筋组件上侧浇筑有立柱。
所述振动台上顶板上表面通过第二螺栓与H型钢下翼缘固定安装。
所述第一螺栓的长度比第一钢板厚度、第二钢板厚度、施加装置高度和H型钢上翼缘厚度的总长度长6～8cm。
所述第一钢板和第二钢板的长度或者宽度至多比施加装置输出端的直径长30mm。
一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置的使用方法如下：
步骤一、将H型钢下翼缘通过第二螺栓固定安装到振动台上顶板上表面；
步骤二、将施加装置嵌入第一钢板和H型钢上翼缘之间的限位组件内，并且将施加装置的输出端焊接在第一钢板的下表面；
步骤三、将加密钢筋组件焊接到第二钢板上，在加密钢筋组件上整体浇筑形成混凝土柱子，可实现模拟混凝土框架柱子与基础固定端约束的力学模型；
步骤四、将带有混凝土柱子的第二钢板放置到第一钢板上表面，进而调整千斤顶输出端的高度，将加长的第一螺栓穿过第一钢板、第二钢板和H型钢上翼缘，在第一螺栓的底端将螺母拧紧到H型钢的上翼缘的下表面，进而模拟煤炭采动过程中建筑物的沉降；
步骤五、将实验完成后的建筑物模型和第二钢板拆卸下来，重复步骤三和步骤四，每次都调节千斤顶输出端的高度，进而模拟煤炭采动过程中建筑物沉降的四种工况。
所述步骤五中，四种工况为：工况一，建筑物倾斜值0mm/m；工况二：建筑物倾斜值2mm/m；工况三：建筑物倾斜值4mm/m；工况四：建筑物倾斜值6mm/m，其中单位mm/m对应的含义为建筑物沉降值/相邻立柱水平间距。
本发明涉及一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置及其使用方法的有益效果是：
在液压振动台实验中，通过两个附加钢板和螺栓的连接实现材料差异较大的构件之间不影响模型的结构力学性能前提下进行衔接，既实现煤矿采动作用传递到上部结构的模拟又实现了缩尺的钢筋混凝土模型与煤矿采动作用施加装置之间不同材料的衔接，有利于煤矿采动作用施加装置的重复使用，进而模拟煤炭采动过程中建筑物沉降的不同工况，符合原型结构的力学特性，避免了在动力荷载作用下混凝土框架柱与煤矿采动作用施加装置发生相对错动，造成剪切破坏，而且钢板上通过加密钢筋焊接混凝土柱子，可以直接在钢板上进行混凝土柱子的支模，进而整体进行混凝土浇筑。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明第一钢板、第二钢板和第一螺栓的装配示意图；
图3为本发明实现数控液压的不同工况示意图；
图4为本发明第二钢板和加密钢筋组件的焊接示意图；
图5为本发明第一钢筋的结构示意图；
图6为本发明第二钢筋的结构示意图；
图中：1、振动台，2、H型钢，3、千斤顶，4、衔接装置，41、第一钢板，42、第二钢板，43、第一螺栓，5、加密钢筋组件，51、第一钢筋，52、第二钢筋，6、限位组件，61、第一卡头，62、第二卡头，7、第二螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，包括振动台1、H型钢2、施加装置3、衔接装置4、加密钢筋组件5和限位组件6，振动台1上顶板上表面固定安装有H型钢2，H型钢2上翼缘的上表面设有施加装置，施加装置具体为千斤顶3，千斤顶3上表面通过衔接装置4固定安装有加密钢筋组件5；
衔接装置4包括第一钢板41、第二钢板42和第一螺栓43，千斤顶3上表面焊接有第一钢板41，第一钢板41上表面设置有第二钢板52，第二钢板52上表面设置有加密钢筋组件5，第一钢板41、第二钢板42和H型钢2上翼缘通过第一螺栓43螺接，且第一螺栓43位于H型钢2上翼缘下表面一侧螺接有螺母。
本实施例中，结构振动台模型试验是目前研究结构地震破坏机理和破坏模式、评价结构整体抗震能力和衡量减震、隔震效果的重要手段和方法，振动台试验较好地体现了模型的抗震性能，可我们更关心的是由模型的试验结果推算的原型结构的抗震性能，但在这方面尚未形成非常一致的结论，还存在一定的误差，因而精度还有待于进一步的提高，所以在将实际建筑物进行缩尺后所制作而成的模型，需要跟实际的建筑物存在尽量小的偏差，而课题组在已完实验中成功模拟了四种工况，需要通过放置在柱子下的千斤顶3的升降来实现，然而煤矿采动作用千斤顶3在升降的同时需要保证的是柱子的同步升高，并且不会造成建筑物倒塌以及滑移，影响实验的进行，第一钢板41与煤矿采动作用千斤顶3进行焊接，可以实现在模拟煤炭采动的四种不同工况下实验器材的循环使用；H型钢2的型号为H300，第一螺栓43为M10的螺栓，其数量为四个，并且位于第一钢板41和第二钢板42的四周，具体如图2所示，在模拟四种不同工况的煤炭采动影响时，使用加长第一螺栓43穿过第一钢板41、第二钢板42和H型钢2的上翼缘，在第一螺栓43的底端将螺母拧紧到H型钢2的上翼缘的下表面，实现混凝土柱子与煤矿采动作用施加装置的牢固结合，这样立柱与煤矿采动作用施加装置可以同步升降，使施加装置不发生相对滑动，避免对上部结构造成损伤，尽可能的实现模型与原型的相似。
如图4所示，加密钢筋组件5包括六个U型第一钢筋51和两个等长的第二钢筋52，两个第二钢筋52平行相对设置，沿第二钢筋52延伸方向等间距设置四个第一钢筋51，且四个第一钢筋51的U型底八个拐点对应的设置在两个第二钢筋52上，另两个第一钢筋51的U型底与第二钢筋52等长，平行于第二钢筋52设置，且另两个第一钢筋51的U型底四个拐点对应设置在第一钢筋51上，相邻两个第一钢筋51之间或者第一钢筋51与相邻第二钢筋52之间等距设置。
本实施例中，第一钢筋51和第二钢筋52的形状具体如图5和6所示，第一钢筋51为U型，这是由于在此模拟实验中模型是按照1/10缩尺模拟的，相邻钢筋之间的间距较小，防止在用电烙铁进行焊接钢筋时造成其他钢筋的熔断，减少钢筋之间焊接，避免焊接不牢固及焊接熔断造成钢筋整体强度的降低，对实验结果造成偏差。
如图1所示，限位组件6包括多个第一卡头61和多个第二卡头62，多个第一卡头62安装在第一钢板41的下表面四周，且多个第二卡头62安装在H型钢2上翼缘四周，施加装置焊接在限位组件6的内侧。
本实施例中，第一卡头61和第二卡头62的数量都是四个，第一卡头61和第二卡头62是边长为2cm～4cm的正方形铁块，限位组件6形成类似套筒的结构，将煤矿采动作用施加装置嵌入限位组件6中，并且用角焊进行加固，这样限位组件6可以避免立柱与煤矿采动作用施加装置升降时施加装置发生相对滑动的现象。
如图1所示，加密钢筋组件5上侧浇筑有立柱。
本实施例中，按照规范规定以及缩尺模型文献可知，底层柱下端的箍筋配置不小于立柱净高的1/3；立柱为混凝土柱子，每一个立柱都设置有一整套这样的装置，每个建筑物内设有九个立柱。
如图1所示，振动台1上顶板上表面通过第二螺栓7与H型钢2下翼缘固定安装。
本实施例中，第二螺栓7为M20的螺栓，通过第二螺栓7固定的振动台1上顶板和H型钢2，对H型钢2起到稳定的作用，而且方便安装和拆卸。
如图1所示，第一螺栓43的长度比第一钢板41厚度、第二钢板42厚度、施加装置高度和H型钢2上翼缘厚度的总长度长6～8cm。
本实施例中，第一螺栓43多出的长度可以方便实现在不同工况中的调节。
如图1所示，第一钢板41和第二钢板42的长度或者宽度至多比施加装置输出端的直径长30mm。
本实施例中，千斤顶3可以与外界液压控制系统电连接，也可手动控制其升降，第一钢板41和第二钢板42的长度或者宽度与千斤顶3的直径相差不超过30mm，这样避免千斤顶3将第一钢板41和第二钢板42拉断。
一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置的使用方法如下：
步骤一、将H型钢2下翼缘通过第二螺栓7固定安装到振动台1上顶板上表面；
步骤二、将施加装置嵌入第一钢板41和H型钢2上翼缘之间的限位组件6内，并且将施加装置的输出端焊接在第一钢板41的下表面；
步骤三、将加密钢筋组件5焊接到第二钢板42上，在加密钢筋组件5上整体浇筑形成混凝土柱子，可实现模拟混凝土框架柱子与基础固定端约束的力学模型；
步骤四、将带有混凝土柱子的第二钢板42放置到第一钢板41上表面，进而调整千斤顶3输出端的高度，将加长的第一螺栓43穿过第一钢板41、第二钢板42和H型钢2上翼缘，在第一螺栓43的底端将螺母拧紧到H型钢2的上翼缘的下表面，进而模拟煤炭采动过程中建筑物的沉降；
本步骤中，加密钢筋组件5不要直接焊接在第一钢板41上，第二钢板42即可以当地板使用，又避免直接在千斤顶3上浇筑时，浇筑时水泥浆会流到千斤顶3上，干了之后很难清除，而且焊接的缝隙里可能也会流进水泥浆，影响仪器的灵敏度，甚至造成仪器的损坏。
步骤五、将实验完成后的建筑物模型和第二钢板42拆卸下来，重复步骤三和步骤四，每次都调节千斤顶3输出端的高度，进而模拟煤炭采动过程中建筑物沉降的四种工况。
本步骤中，四种工况为：工况一，建筑物倾斜值0mm/m；工况二：建筑物倾斜值2mm/m；工况三：建筑物倾斜值4mm/m；工况四：建筑物倾斜值6mm/m，其中单位mm/m对应的含义为建筑物沉降值/相邻立柱水平间距，如图3所示为采空区建筑物可能出现的所有不同程度的破坏形态，从左往右依次是建筑物初始位置、建筑物位于地表最大拉伸变形处、建筑物位于地表最大倾斜处、建筑物位于地表最大压缩变形处和建筑物位于地表沉陷盆地稳定处，箭头的方向为煤矿采动的方向。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，其特征在于：包括振动台、H型钢、施加装置、衔接装置、加密钢筋组件和限位组件，振动台上顶板上表面固定安装有H型钢，H型钢上翼缘的上表面设有施加装置，施加装置具体为千斤顶，千斤顶上表面通过衔接装置固定安装有加密钢筋组件；
所述衔接装置包括第一钢板、第二钢板和第一螺栓，所述千斤顶上表面焊接有第一钢板，第一钢板上表面设置有第二钢板，第二钢板上表面设置有加密钢筋组件，所述第一钢板、第二钢板和H型钢上翼缘通过第一螺栓螺接，且第一螺栓位于H型钢上翼缘下表面一侧螺接有螺母。
2.根据权利要求1所述的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，其特征在于：所述加密钢筋组件包括六个U型第一钢筋和两个等长的第二钢筋，两个第二钢筋平行相对设置，沿第二钢筋延伸方向等间距设置四个第一钢筋，且四个第一钢筋的U型底八个拐点对应的设置在两个第二钢筋上，另两个第一钢筋的U型底与第二钢筋等长，平行于第二钢筋设置，且另两个第一钢筋的U型底四个拐点对应设置在第一钢筋上，相邻两个第一钢筋之间或者第一钢筋与相邻第二钢筋之间等距设置。
3.根据权利要求1所述的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，其特征在于：所述限位组件包括多个第一卡头和多个第二卡头，多个所述第一卡头安装在第一钢板的下表面四周，且多个第二卡头安装在H型钢上翼缘四周，所述施加装置焊接在限位组件的内侧。
4.根据权利要求1所述的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，其特征在于：所述加密钢筋组件上侧浇筑有立柱。
5.根据权利要求1所述的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，其特征在于：所述振动台上顶板上表面通过第二螺栓与H型钢下翼缘固定安装。
6.根据权利要求1所述的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，其特征在于：所述第一螺栓的长度比第一钢板厚度、第二钢板厚度、施加装置高度和H型钢上翼缘厚度的总长度长6～8cm。
7.根据权利要求1所述的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置，其特征在于：所述第一钢板和第二钢板的长度或者宽度至多比施加装置输出端的直径长30mm。
8.根据权利要求1所述的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置的使用方法，其特征在于：步骤一、将H型钢下翼缘通过第二螺栓固定安装到振动台上顶板上表面；
步骤二、将施加装置嵌入第一钢板和H型钢上翼缘之间的限位组件内，并且将施加装置的输出端焊接在第一钢板的下表面；
步骤三、将加密钢筋组件焊接到第二钢板上，在加密钢筋组件上整体浇筑形成混凝土柱子，可实现模拟混凝土框架柱子与基础固定端约束的力学模型；
步骤四、将带有混凝土柱子的第二钢板放置到第一钢板上表面，进而调整千斤顶输出端的高度，将加长的第一螺栓穿过第一钢板、第二钢板和H型钢上翼缘，在第一螺栓的底端将螺母拧紧到H型钢的上翼缘的下表面，进而模拟煤炭采动过程中建筑物的沉降；
步骤五、将实验完成后的建筑物模型和第二钢板拆卸下来，重复步骤三和步骤四，每次都调节千斤顶输出端的高度，进而模拟煤炭采动过程中建筑物沉降的四种工况。
9.根据权利要求8所述的一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置的使用方法，其特征在于：所述步骤五中，四种工况为：工况一，建筑物倾斜值0mm/m；工况二：建筑物倾斜值2mm/m；工况三：建筑物倾斜值4mm/m；工况四：建筑物倾斜值6mm/m，其中单位mm/m对应的含义为建筑物沉降值/相邻立柱水平间距。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20190329 Assignee: Fuxin Everbright Solar Energy Technology Co.,Ltd. Assignor: LIAONING TECHNICAL University Contract record no.: X2021980009467 Denomination of invention: An experimental device convenient for connection in simulating coal mining and its application method Granted publication date: 20200728 License type: Common License Record date: 20210917 |
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