CN109900467A - 一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置，包括反力梁、反力地基板、外侧支墩、载荷加载装置和管桩，载荷加载装置设置于管桩中部，载荷加载装置的两侧相对称的设置有压簧装置和拉簧装置，压簧装置包括上支撑板、下支撑板和压簧；拉簧装置包括上连接板、下连接板、弧形垫片、连接杆和拉簧；本发明采用拉簧和压簧来模拟土阻力，可以通过不同系数弹簧，来模拟不同土层的作用情况，这在国内还没有相关的研究。本装置为模拟土阻力作用下进行管桩抗震低周往复试验研究出了新思路，填补抗震模拟试验贴近工程实际的空白，有较突出的社会效益和经济效益。

Description

一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置

技术领域

本发明涉及工程结构抗震试验领域，特别是涉及一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置。

背景技术

工程结构抗震试验是研究结构抗震性能的一个重要手段。结构抗震试验主要有振动台试验，拟动力试验和拟静力试验等。采用可以真实模拟地震作用的振动台试验来研究结构或构件的抗震性能是最理想的方法。但是其试验设备成本较高且操作复杂，此外试验对象也有诸多的限制，因此应用并不是很广泛。拟静力试验是以集中力的方式并以一定的荷载或位移作为控制值对结构或构件施加低周往复荷载，因此也称低周往复加载试验或伪静力试验。拟静力试验的每一个加载周期都远大于结构自身的基本周期，其加载速率很低，忽略了应变速率对结构的影响。在加载过程中可以随时对结构构件的开裂和破坏情况进行观察记录。同时其对加载设备和操作水平要求较低，因此在结构抗震试验中有了广泛的应用。低周往复加载试验过程采用大型循环往复加载设备，管桩水平放置设备下方，在桩身跨中施加往复荷载进行桩身抗震性能试验，试件两端为铰接，试验装置及各类传感器的布置在试件周围，测量试件的变形，分析荷载变化和试件挠曲变形的关系。

其中低周往复加载试验过程只单单考虑试件的结构变形，工程使用中是地基土与管桩的相互作用，因此试验无法模拟管桩在土中的情况，因此与实际还是有一定区别的。此外国内外研究时基本上采用计算机软件进行模拟计算，或者采用工程现场的原位测试，前者计算耗时较长且不好验证计算结果的准确性，后者造价和成本较高且受限于场地的土层。

文克勒[1]在1867年提出的文克勒地基模型(弹性地基梁)中的基床反力系数，文克勒假设：地基上任一点所受的压力强度p与该点的地基沉降量s成正比，p＝ks，这个比例系数k称为基床反力系数，简称基床系数。就是把地基土体划分成许多的土柱，然后用一根独立的弹簧来代替，k就是弹簧刚度，不过基床系数的确定比较复杂，它又不是单纯表征土的力学性质的计算指标，还受基底压力的大小和分布、压缩性、土层厚度、邻近荷载等等的影响。

关于土弹簧刚度的问题，有很多人进行了量的研究。曾庆敦等[2]对横向荷载作用下桩土相互作用的土弹簧的刚度进行了深入研究，分别用Matlab编程和Ansys模拟的方法，研究表明采用Mindlin导出的位移解能更准确地确定土弹簧刚度系数。最后总结出求出弹簧刚度的简化公式。用有限元软件进行计算各弹簧的压力和桩的变形，并与常用计算方法比较，两种方法结果吻合。王浩等[3]研究了拟静力法在动力状态下的的地基基础协同分析中的应用，通过有限元软件进行模拟，提供了一套在动力状态下计算弹簧刚度参数的方法。

卓杨等[4]采用有限元的方法对水平荷载作用下的单桩进行模拟，用土弹簧代替桩周土作用，提出了由实测试验桩数据推导求得土弹簧刚度的方法。毕继红等[5]考虑了土层动力特性的土弹簧刚度，依据弹簧刚度计算动荷载并对整体模型进行静力线弹性计算。严利辉[6]论述了在水平作用下，利用P-Y曲线法和m-P-Y法两种不同设计方法对土弹簧刚度的影响。陆培炎[7]在自己的科技著作及论文选集详细论述了横向荷载下土、桩共同作用的简化方法，给出了弹簧刚度系数k的计算公式。韩理安[8]在水平荷载桩的计算一文中，依据大量的工程试验数据，总结出水平地基系数K_N和土的压缩系数a之间的散点图。

根据韩理安总结的水平荷载桩地基系数表，同时参照天津滨海新区土质参数，选取需要的土压缩系数取，根据文克勒公式计算的弹簧的刚度系数。根据需要模拟的不同土层参数，确定不同刚度系数的拉伸弹簧和压缩弹簧，弹簧直接厂家定制，并经过标定，最终保证选取弹簧数值与上述计算数值基本一致。

[1]曾巧玲，崔江余，陈文化，等.基础工程[M].北京：清华大学出版社，2007

[2]曾庆敦，甄圣威.横向荷载作用下桩-土耦合系统的土弹簧刚度[J].中北大学学报(自然科学版)，2010,24(04):383-388

[3]王浩，刘铁成，王峥嵘.基于拟静力法的弹簧刚度计算方法讨论[J].工程地质学报，2014,06(01):305-309.

[4]卓杨，刘兹胜，吴锋.水平受荷桩桩-土作用的有限元分析[J].地下空间与工程学报，2009,5(2):1554-1556

[5]毕继红，张聪，关健.基于ANSYS的储液池边界土弹簧刚度分析[J].特种结构，2014,31(06):16-20

[6]严利辉.浅谈桩-土水平作用模型及土弹簧刚度确定[J].广东科技，2009,227(12):173-174

[7]陆培炎.陆培炎科技著作及论文选集(横向荷载下土、桩共同作用的简化法)[M].北京：科学出版社，2006

[8]韩理安编.水平荷载桩的计算[M].长沙：中南大学出版社，2004

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置，采用拉簧和压簧来模拟土阻力，可以通过不同系数弹簧，来模拟不同土层的作用情况，这在国内还没有相关的研究。本装置为模拟土阻力作用下进行管桩抗震低周往复试验研究出了新思路，填补抗震模拟试验贴近工程实际的空白，有较突出的社会效益和经济效益。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置，包括反力梁、反力地基板、外侧支墩、载荷加载装置和管桩，外侧支墩通过锚拉钢筋固定于反力地基板的上方，管桩通过弧形支座放置在位于管桩两端的外侧支墩上，管桩两端的上表面从下到上通过所述锚拉钢筋依次固定有弧形支座和反力梁，载荷加载装置设置于管桩中部，管桩底部等间距的排列设置有位移计，所述载荷加载装置包括上加载板、下加载板和双向拉压千斤顶；上加载板和下加载板通过螺杆连接，所述管桩位于上加载板和下加载板之间，所述上加载板和管桩之间、下加载板和管桩之间均安装有与管桩弧度相契合的弧形夹具；所述上加载板的上表面连接所述双向拉压千斤顶，双向拉压千斤顶上安装有荷载传感器，双向拉压千斤顶的顶端固定于反力梁，上加载板和下加载板上均设有位移计；

所述载荷加载装置的两侧相对称的设置有压簧装置和拉簧装置，所述压簧装置包括上支撑板、下支撑板和压簧，所述上支撑板的形状为与所述管桩弧度相契合的弧形结构，上支撑板的下表面设有上套筒；下支撑板为平板结构，下支撑板的上表面设有下套筒，所述下套筒的内径大于上套筒的外径，所述压簧的内径大于所述下套筒的外径，上套筒套接于下套筒内部，压簧套接于下套筒外部，所述上套筒和下套筒的伸缩高度大于压簧的最大压缩量；

所述拉簧装置包括上连接板、下连接板、弧形垫片、连接杆和拉簧，所述上连接板和下连接板分别设置于管桩的顶部和底部并通过螺杆固定，所述上连接板和管桩之间、下连接板和管桩之间均设置有与管桩弧度相契合的弧形垫片，所述下连接板的下表面设有连接所述拉簧顶端的挂钩，所述拉簧底端连接所述连接杆，所述连接杆贯通所述反力地基板并通过紧固件固定。

进一步的，所述管桩下方的反力地基板上还并排设置有用于放置所述压簧装置的内侧支墩，内侧支墩的高度低于所述外侧支墩的高度。

进一步的，所述压簧装置放置于反力地基板上或所述内侧支墩上。

进一步的，位于管桩底部的位移计分别位于压簧装置和拉簧装置之间。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明用于模拟土的拉簧和压簧弹簧系数易于定制，提供的弹簧力也可控，根据不同土性可以定制不同刚度系数的螺旋弹簧；

2.本发明装置各部件易于拆装，定制弹簧更换简便，同时弹簧能够多次重复使用，节约试验成本；

3.本发明为抗震低周往复试验研究提出了新思路，引入模拟土阻力使抗震试验贴近工程，能够节约大量的时间和现场试验费用；本发明可以在计算机模拟和现场原位测试方法以外进行有益的补充。

4.本发明采用标定的减震弹簧来模拟桩周土对管桩作用，这能够更加贴近工程实际而采用弹簧来模拟土阻力，可以通过不同系数弹簧，来模拟不同土层的作用情况，这在国内还没有相应的技术。

5.本装置为模拟土阻力作用下进行管桩抗震低周往复试验研究出了新思路，填补抗震模拟试验贴近工程实际的空白，有较突出的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明整体工作状态下的结构示意图。

图2是载荷加载装置的结构示意图。

图3是拉簧装置的结构示意图。

图4是压簧装置的结构示意图。

附图标记：1-反力地基板，2-外侧支墩，3-管桩，4-反力梁，5-锚拉钢筋，6-压簧，7-拉簧，8-位移计，9-双向拉压千斤顶，10-荷载传感器，11-螺杆，12-上加载板，13-下加载板，14-弧形夹具，15-内侧支墩，16-上连接板，17-下连接板，18-弧形垫片，19-拉簧螺杆，20-上套筒，21-下套筒，22-上支撑板，23-下支撑板，24-连接杆

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示，

一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置，包括反力梁4、反力地基板1、外侧支墩2、载荷加载装置和管桩3，管桩3通过弧形支座放置在位于管桩3两端的外侧支墩2上，管桩3两端的上表面从下到上通过锚拉钢筋5依次固定有弧形支座和反力梁4，外侧支墩2和管桩3通过锚拉钢筋5固定于反力地基板1的上方；本实施例中载荷加载装置设置于管桩3中部，管桩3底部等间距的排列设置有位移计8；管桩3长度均为6m，试验时将管桩水平放置在外侧支墩2处，两端均利用高强锚拉钢筋和反力梁与反力地基板固定，两端外侧支墩间的净跨为5.4m。

载荷加载装置包括上加载板12、下加载板13和双向拉压千斤顶9；上加载板12和下加载板13通过螺杆11连接，管桩3位于上加载板12和下加载板13之间，上加载板12和管桩3之间、下加载板13和管桩3之间均安装有与管桩弧度相契合的弧形夹具14；弧形夹具弧度为85°。上加载板12的上表面连接双向拉压千斤顶9，双向拉压千斤顶9上安装有荷载传感器10，双向拉压千斤顶9的顶端固定于反力梁4，上加载板12和下加载板13的下表面均设有位移计8；

本实施例中，管桩3下方的反力地基板1上还并排设置有用于放置压簧装置的内侧支墩15，内侧支墩的高度低于外侧支墩2的高度。载荷加载装置的两侧相对称的设置有两个压簧装置和两个拉簧装置，根据实验需要可随时增减压簧装置和拉簧装置的数量。压簧装置包括上支撑板22、下支撑板23和压簧6，上支撑板22的形状为与管桩3弧度相契合的弧形结构，上支撑板22的下表面设有上套筒20；下支撑板23为平板结构，下支撑板23的下表面放置于反力地基板1上或内侧支墩15上；下支撑板23的上表面设有下套筒21，下套筒21的内径大于上套筒20的外径，压簧6的内径大于下套筒21的外径，上套筒20套接于下套筒21内部，压簧6套接于下套筒21外部，上套筒20和下套筒21的伸缩高度大于压簧6的最大压缩量，以便压簧6受压；

拉簧装置包括上连接板16、下连接板17、弧形垫片18、连接杆24和拉簧7，上连接板16和下连接板17分别设置于管桩3的顶部和底部并通过拉簧螺杆19固定，上连接板16和管桩3之间、下连接板17和管桩3之间均设置有与管桩弧度相契合的弧形垫片18，下连接板17的下表面设有连接拉簧7顶端的挂钩，拉簧7底端连接连接杆24顶端，连接杆24底端贯通反力地基板1并通过螺母固定。本实施例中上连接板16和下连接板17均采用工字钢制成，管桩3安装到位后，当管桩3受压时，弹簧下面的连接杆24在反力地基板向下移动，拉簧7不受力，当管桩受拉时，连接杆24被下面的螺栓固定，拉簧开始受力。

具体的，弧形夹具弧度为85°，宽度为180mm，通过双向拉压千斤顶对管桩施加荷载，千斤顶的最大施加荷载值能达到1000kN，在垂直方向对管桩进行上下的循环往复加载。弧形支座采用钢桶按照管桩弧度切割而成，所用上加载板、下加载板采用60mm钢板，分别通过定制加工制作而成，通过测试钢板的刚度满足要求，能保证构件在加载过程中不会发生变形。

模拟土阻力的拉簧装置和压簧装置采取同侧布置，拉簧利用反力地基板固定施加拉力，受反力地基孔限制，拉簧和压簧位置稍有不同，基本保证构件在同条件下受压受拉时弹簧施加的反力相同。用位移计测量试件的弯曲变形量，在管桩底部的拉簧装置和压簧装置中间位置分别设置位移计，用以记录弹簧的伸缩量；荷载传感器10为激光位移传感器，记录循环加载部位(跨中)的变形量。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置，包括反力梁、反力地基板、外侧支墩、载荷加载装置和管桩，外侧支墩通过锚拉钢筋固定于反力地基板的上方，管桩通过弧形支座放置在位于管桩两端的外侧支墩上，管桩两端的上表面从下到上通过所述锚拉钢筋依次固定有弧形支座和反力梁，载荷加载装置设置于管桩中部，管桩底部等间距的排列设置有位移计，其特征在于，所述载荷加载装置包括上加载板、下加载板和双向拉压千斤顶；上加载板和下加载板通过螺杆连接，所述管桩位于上加载板和下加载板之间，所述上加载板和管桩之间、下加载板和管桩之间均安装有与管桩弧度相契合的弧形夹具；所述上加载板的上表面连接所述双向拉压千斤顶，双向拉压千斤顶上安装有荷载传感器，双向拉压千斤顶的顶端固定于反力梁，上加载板和下加载板上均设有位移计；

所述载荷加载装置的两侧相对称的设置有压簧装置和拉簧装置，所述压簧装置包括上支撑板、下支撑板和压簧，所述上支撑板的形状为与所述管桩弧度相契合的弧形结构，上支撑板的下表面设有上套筒；下支撑板为平板结构，下支撑板的上表面设有下套筒，所述下套筒的内径大于上套筒的外径，所述压簧的内径大于所述下套筒的外径，上套筒套接于下套筒内部，压簧套接于下套筒外部，所述上套筒和下套筒的伸缩高度大于压簧的最大压缩量；

所述拉簧装置包括上连接板、下连接板、弧形垫片、连接杆和拉簧，所述上连接板和下连接板分别设置于管桩的顶部和底部并通过螺杆固定，所述上连接板和管桩之间、下连接板和管桩之间均设置有与管桩弧度相契合的弧形垫片，所述下连接板的下表面设有连接所述拉簧顶端的挂钩，所述拉簧底端连接所述连接杆，所述连接杆贯通所述反力地基板并通过紧固件固定。

2.根据权利要求1所述一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置，其特征在于，所述管桩下方的反力地基板上还并排设置有用于放置所述压簧装置的内侧支墩，内侧支墩的高度低于所述外侧支墩的高度。

3.根据权利要求1或2所述一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置，其特征在于，所述压簧装置放置于反力地基板上或所述内侧支墩上。

4.根据权利要求1所述一种螺旋弹簧模拟土阻力的装置，其特征在于，位于管桩底部的位移计分别位于压簧装置和拉簧装置之间。