CN110542526B - 土木工程结构抗震试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程领域试验装置，具体涉及一种土木工程结构抗震试验装置。本发明由若干个空间构造墙共同拼接一个立体空间，该立体空间内腔的底部平铺用于模拟地面环境的地表构造单元，地表构造单元的上部放置土木建筑模型；所述的空间构造墙为永磁体材质，所述的地表构造单元包括用作基料的弹性橡胶框和弹性橡胶框内固定镶嵌的若干电磁线圈组块，所述的电磁线圈组块在弹性橡胶框内空间阵列排布，所述的电磁线圈组块均通过控制单元与电源电连接，所述的控制单元还分别与电源、数据更新单元电连接。本发明可以通过地表构造单元模拟真实的地震地表形变并且支持模拟地震时地表形变对土木工程结构的破坏影响，从而获取最有代表性的试验数据。

Description

土木工程结构抗震试验装置

技术领域

本发明属于土木工程领域试验装置，具体涉及一种土木工程结构抗震试验装置。

背景技术

地震发生时，先产生纵波，使我们感觉到房屋的上下震动，这对建筑物的破坏性不大。纵波来得快，去的也快。纵波过去后就是横波，是破坏性最大的。横波使建筑物左右摇动，使建筑物结构错位，引起坍塌等灾难。在土木工程结构抗震试验的研究中现有技术任然不过成熟，比如有中国专利CN201721376479.4公开了一种土木工程结构抗震试验装置，包括有试验室以及设置在试验室内的震动装置，所述震动装置包括有从下至上依次连接的第一固定板、第二固定板和置物板，所述第一固定板上设置有第一振动电机以驱动第二固定板产生左右震动，所述第二固定板上设置有第二振动电机以驱动置物板产生前后震动；所述试验室的内壁上设置有竖向的滑轨，所述滑轨上安装有电动滑块，所述电动滑块连接有可左右转动的转动座，所述转动座连接有风机；该技术中以及现有技术中对地震环境的模拟均是采用电机振动的方式，该方式下模拟的地震环境不够真实，不能模拟真实的地震波影响，不能模拟真实的地震中地表的形变，更加难以获取真实的地震试验数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土木工程结构抗震试验装置。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

土木工程结构抗震试验装置，包括若干个空间构造墙、用于模拟土木工程建筑的土木建筑模型、用于电路控制的控制单元、电源和用于对电路控制单元进行维护的数据更新单元，所述的若干个空间构造墙共同拼接一个立体空间，该立体空间内腔的底部平铺用于模拟地面环境的地表构造单元，地表构造单元的上部放置土木建筑模型；所述的空间构造墙为永磁体材质，所述的地表构造单元包括用作基料的弹性橡胶框和弹性橡胶框内固定镶嵌的若干电磁线圈组块，所述的电磁线圈组块在弹性橡胶框内空间阵列排布，所述的电磁线圈组块均通过控制单元与电源电连接，所述的控制单元还分别与电源、数据更新单元电连接。

进一步，所述的每个电磁线圈组块包括线圈组和外壳，所述的线圈组设置在外壳内部，所述的线圈组包括相互垂直的横向线圈组和纵向线圈组，横向线圈组和纵向线圈组用于产生互相垂直的磁场。

进一步，所述的土木建筑模型包括木框、烧制砖块、钢筋混凝土板、瓷砖、金属框，所述的钢筋混凝土板设置在底部，钢筋混凝土板四周粘贴若干瓷砖，所述钢筋混凝土板上部堆叠若干烧制砖块并形成土木建筑模型的墙体，烧制砖块的顶部固定金属框，所述的金属框顶部固定木框。

进一步，所述的控制单元包括通信接口、控制单片机、多级变量译码器、数模转换电路，其中的控制单片机依次电连接多级变量译码器、数模转换电路，控制单片机与通信接口电连接，其中的电磁线圈组块与数模转换电路电连接；所述的数据更新单元包括通信接口、控制单片机、模数转换电路、超声波发生器、超声波接收器、红外探测头，所述的控制单片机电连接模数转换电路，模数转换电路分别与超声波发生器、超声波接收器、红外探测头电连接，所述的控制单片机与通信接口电连接；控制单元的通信接口与数据更新单元的通信接口电连接。

进一步，所述的多级变量译码器具体是一个前级变量译码器的通信输出端分别连接若干个后级变量译码器的通信输入端，最后级的若干个变量译码器的通信输出端分别通过数模转换电路与对应的横向线圈组或纵向线圈组电连接。

进一步，所述控制单元的通信接口与数据更新单元的通信接口通过无线电连接，所述的控制单元的通信接口与数据更新单元的通信接口均是无线通讯接口。

进一步，所述的控制单元的控制单片机与数据更新单元的控制单片机替换为PC计算机系统。

有益效果

本发明可以通过地表构造单元模拟真实的地震地表形变并且支持模拟地震时地表形变对土木工程结构的破坏影响，从而获取最有代表性的试验数据；并且本发明还可以通过控制单元对地表构造单元的形变大小、频率调制进而最真实化接近实际地震中地表形变；横向线圈组和纵向线圈组则可以产生多维的立体作用磁场力，进而可以模拟地震时候地表的横向运动或纵向运动，以达到真实还原地震地表形变的效果；控制单元的控制单片机可以做到在一个控制周期控制所有目标电磁线圈组块共同参与地表构造单元的形变，做到精准控制与真实模拟；通过数据更新单元可以采集实际地震前后地表地质地貌和形变信息，然后由控制单元的控制单片机对电磁线圈组块的控制命令以地表构造单元还原实际地震前后地表地质地貌和形变，进而可以模拟真实的地震情况对土木工程结构的破坏与影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构图；

图2是本发明一个实施例中地表构造单元的结构图；

图3是本发明一个实施例中地表构造单元的线圈组结构图；

图4是本发明一个实施例中土木建筑模型的结构图；

图5是本发明一个实施例中地表构造单元形变时的结构示意图；

图6是本发明一个实施例中电路连接原理框图。

具体实施方式

具体实施时，一种土木工程结构抗震试验装置的实施例，如图1所示，本发明实施例包括若干个空间构造墙4、用于模拟土木工程建筑的土木建筑模型2、用于电路控制的控制单元5、电源6和用于对电路控制单元5进行维护的数据更新单元7，所述的若干个空间构造墙4共同拼接一个立体空间，该立体空间内腔的底部平铺用于模拟地面环境的地表构造单元1，地表构造单元1的上部放置土木建筑模型2；所述的空间构造墙4为永磁体材质，如图2，所述的地表构造单元1包括用作基料的弹性橡胶框12和弹性橡胶框12内固定镶嵌的若干电磁线圈组块11，所述的电磁线圈组块11在弹性橡胶框12内空间阵列排布，如图6，所述的电磁线圈组块11均通过控制单元5与电源6电连接，所述的控制单元5还分别与电源6、数据更新单元7电连接；具体实施时，控制单元5可以通过电路控制每一个电磁线圈组块11内的电流流向和电流大小，进而可以控制电磁线圈组块11产生电磁场，不同的电磁线圈组块11之间的电磁场的磁场力相互作用可以形成地表构造单元1的内力组合，弹性橡胶框12具有一定的弹性和伸缩范围，弹性橡胶框12内固定镶嵌的若干电磁线圈组块11在相互作用力时可以带动弹性橡胶框12产生形变，参考图5，该形变对于地表构造单元1而言是内力形变，并且也是模拟实际的地震时地表内部的形变；另外，一些区域的电磁线圈组块11还可以共同形成叠加电磁场的磁场力，该磁场力可以与永磁体材质的空间构造墙4的磁场力相互作用，弹性橡胶框12具有一定的弹性和伸缩范围，弹性橡胶框12内固定镶嵌的若干电磁线圈组块11共同与空间构造墙4发生作用力时可以带动弹性橡胶框12产生形变，该形变对于地表构造单元1而言是外力形变，并且也是模拟实际的地震时一部分地表与另外一部分地表之间的形变；通过所述的方式地表构造单元1则可以模拟实际的地震时地表的形变；实施中土木建筑模型2则相当于抗震试验的参考物体，通过模拟实际的地震时地表的形变对土木建筑模型2的破坏则可以获取有价值的研究数据。

综上，可见，本发明可以通过地表构造单元模拟真实的地震地表形变并且支持模拟地震时地表形变对土木工程结构的破坏影响，从而获取最有代表性的试验数据；并且本发明还可以通过控制单元对地表构造单元的形变大小、频率调制进而最真实化接近实际地震中地表形变。实施中，如图2-3所示，所述的每个电磁线圈组块11包括线圈组111和外壳112，所述的线圈组111设置在外壳112内部，所述的线圈组111包括相互垂直的横向线圈组111a和纵向线圈组111b，横向线圈组111a和纵向线圈组111b用于产生互相垂直的磁场；实施中通过设置的横向线圈组111a和纵向线圈组111b则可以产生多维的立体作用磁场力，进而可以模拟地震时候地表的横向运动或纵向运动，以达到真实还原地震地表形变的效果；当然在实际的实施中不仅限于设置一组横向或纵向的线圈组，还可以设置立体卷绕的线圈组，从而可以使得地表形变更加具有立体性。

实施中，如图4所示，所述的土木建筑模型2包括木框21、烧制砖块22、钢筋混凝土板23、瓷砖24、金属框25，所述的钢筋混凝土板23设置在底部，钢筋混凝土板23四周粘贴若干瓷砖24，所述钢筋混凝土板23上部堆叠若干烧制砖块22并形成土木建筑模型2的墙体，烧制砖块22的顶部固定金属框25，所述的金属框25顶部固定木框21；实施时，木框21、烧制砖块22、钢筋混凝土板23、瓷砖24、金属框25分别用于模拟实际的土木工程建筑结构中的木建筑、砖瓦建筑、钢筋混凝土建筑、瓷砖、金属支架建筑，实施中所述的土木建筑模型2没有实际建筑物的高度和强度，所以其各个组成部分的结构强度、内应力分布均可以通过计算设计，使得土木建筑模型2各个组成部分的结构强度、内应力分布与其高度、材料要求等比值同实际建筑的比值相当，通过这种精细化的控制可以获取具有代表性的抗震试验数据。实施中，所述的控制单元5包括通信接口、控制单片机、多级变量译码器、数模转换电路，其中的控制单片机依次电连接多级变量译码器、数模转换电路，控制单片机与通信接口电连接，其中的电磁线圈组块11与数模转换电路电连接；所述的数据更新单元7包括通信接口、控制单片机、模数转换电路、超声波发生器、超声波接收器、红外探测头，所述的控制单片机电连接模数转换电路，模数转换电路分别与超声波发生器、超声波接收器、红外探测头电连接，所述的控制单片机与通信接口电连接；控制单元5的通信接口与数据更新单元7的通信接口电连接；具体实施中，所述的数据更新单元7中的通信接口、控制单片机、模数转换电路、超声波发生器、超声波接收器、红外探测头均采用通用的硬件设备，其中的通信接口用于与控制单元5的通讯，实施中，超声波发生器、超声波接收器、红外探测头均设置在地震前后的实际地表上，主要用于采集地震前后的实际地表地质地貌和形变，超声波发生器、超声波接收器搭配使用并超声波接收器与模数转换电路连接(模拟信号)然后向控制单片机发送接收的信号(数字信号)，红外探测头与模数转换电路连接(模拟信号)然后向控制单片机发送接收的信号(数字信号)，其中的超声波接收器、红外探测头均是多个且分布设置以获取平面分布的实际地震前后地表地质地貌和形变信息，然后通过控制单片机将所述的实际地震前后地表地质地貌和形变信息传递给控制单元5。具体实施中，控制单元5中通信接口、控制单片机、多级变量译码器、数模转换电路均可以采用通用的硬件，比如采用usb协议通信接口模块，采用51系列单片机、采用3-8变量译码器、采用通用的数字信号转模拟信号电路，其中的控制单片机在获取通信接口的命令后(实际地震前后地表地质地貌和形变信息)或根据程序内设启动命令后，向多级变量译码器发送控制信号，该信号经过译码器译码后通过数模转换信号转换为模拟信号对电磁线圈组块11进行控制。由于电磁线圈组块11的数量很多，同一时间段单片机对电磁线圈组块11发送的控制命令难以遍及每一个电磁线圈组块11，这种情况下可以在命令的编码与发送中每次发送一部分电磁线圈组块11的控制命令，再下一个时钟周期发送下一部分电磁线圈组块11的控制命令，该方式可以支持单片机以遍历的方式对电磁线圈组块11控制，这样若干个时钟周期可以构成一个控制周期，通过一个控制周期可以完成对所有目标电磁线圈组块11的控制，控制单元的控制单片机可以做到在一个控制周期控制所有目标电磁线圈组块共同参与地表构造单元的形变，做到精准控制与真实模拟；通过数据更新单元可以采集实际地震前后地表地质地貌和形变信息，然后由控制单元的控制单片机对电磁线圈组块的控制命令以地表构造单元还原实际地震前后地表地质地貌和形变，进而可以模拟真实的地震情况对土木工程结构的破坏与影响。

实施中，所述的多级变量译码器具体是一个前级变量译码器的通信输出端分别连接若干个后级变量译码器的通信输入端，最后级的若干个变量译码器的通信输出端分别通过数模转换电路与对应的横向线圈组111a或纵向线圈组111b电连接；通过组合多级的变量译码器可以解决一个控制单片机控制引脚有限不能控制大量电磁线圈组块11的问题，并且组合的级别层级没有限制，控制的地表构造单元1中的电磁线圈组块11的数量也没有上限。

实施中，所述控制单元5的通信接口与数据更新单元7的通信接口通过无线电连接，所述的控制单元5的通信接口与数据更新单元7的通信接口均是无线通讯接口；具体实施中，所述的数据更新单元7则可以分布设置在实际的地震环境中，通过无线通讯可以减少地震对除数据更新单元7之外其他部分的影响，同时也由于地震环境中实际电路布线难度很大，通过无线通讯则可以解决所述的问题。

实施中，所述的控制单元5的控制单片机与数据更新单元7的控制单片机替换为PC计算机系统，通过这种方式可以极大的增加控制单元5或数据更新单元7的控制单片机的运算能力与反应速度，另外由PC计算机系统人机界面操作简单、操作系统通用性强可以减少实际的开发成本，更加免去了不少对单片机开发编程烧录的时间，提高了效率。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.土木工程结构抗震试验装置，其特征在于，包括若干个空间构造墙、用于模拟土木工程建筑的土木建筑模型、用于电路控制的控制单元、电源和用于对电路控制单元进行维护的数据更新单元，所述的若干个空间构造墙共同拼接一个立体空间，该立体空间内腔的底部平铺用于模拟地面环境的地表构造单元，地表构造单元的上部放置土木建筑模型；所述的空间构造墙为永磁体材质，所述的地表构造单元包括用作基料的弹性橡胶框和弹性橡胶框内固定镶嵌的若干电磁线圈组块，所述的电磁线圈组块在弹性橡胶框内空间阵列排布，所述的电磁线圈组块均通过控制单元与电源电连接，所述的控制单元还分别与电源、数据更新单元电连接，所述的每个电磁线圈组块包括线圈组和外壳，所述的线圈组设置在外壳内部，所述的线圈组包括相互垂直的横向线圈组和纵向线圈组，横向线圈组和纵向线圈组用于产生互相垂直的磁场。

2.如权利要求1所述的土木工程结构抗震试验装置，其特征在于，所述的土木建筑模型包括木框、烧制砖块、钢筋混凝土板、瓷砖、金属框，所述的钢筋混凝土板设置在底部，钢筋混凝土板四周粘贴若干瓷砖，所述钢筋混凝土板上部堆叠若干烧制砖块并形成土木建筑模型的墙体，烧制砖块的顶部固定金属框，所述的金属框顶部固定木框。

3.如权利要求1所述的土木工程结构抗震试验装置，其特征在于，所述的控制单元包括通信接口、控制单片机、多级变量译码器、数模转换电路，其中的控制单片机依次电连接多级变量译码器、数模转换电路，控制单片机与通信接口电连接，其中的电磁线圈组块与数模转换电路电连接；所述的数据更新单元包括通信接口、控制单片机、模数转换电路、超声波发生器、超声波接收器、红外探测头，所述的控制单片机电连接模数转换电路，模数转换电路分别与超声波发生器、超声波接收器、红外探测头电连接，所述的控制单片机与通信接口电连接；控制单元的通信接口与数据更新单元的通信接口电连接。

4.如权利要求3所述的土木工程结构抗震试验装置，其特征在于，所述的多级变量译码器具体是一个前级变量译码器的通信输出端分别连接若干个后级变量译码器的通信输入端，最后级的若干个变量译码器的通信输出端分别通过数模转换电路与对应的横向线圈组或纵向线圈组电连接。

5.如权利要求3所述的土木工程结构抗震试验装置，其特征在于，所述控制单元的通信接口与数据更新单元的通信接口通过无线电连接，所述的控制单元的通信接口与数据更新单元的通信接口均是无线通讯接口。

6.如权利要求4所述的土木工程结构抗震试验装置，其特征在于，所述的控制单元的控制单片机与数据更新单元的控制单片机替换为PC计算机系统。

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