CN110685252A - 一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，包括低频门式反力墙，低频振动台，高频门式反力墙，高频振动台，土箱，反力低频作动器，反力高频作动器，低频振动台作动器和高频振动台作动器，本发明的低频振动台和高频振动台联合振动的试验方法，可为高坝地震动力响应模拟试验同时提供高频和低频地震波输入；门式反力墙结构可将弯矩作用有效转化为反力墙拉杆的拉力作用，其中的高频门式反力墙和低频门式反力墙可提供垂直河谷方向的高频和低频地震动的输入，同时还可模拟沿坝基交界面的不同位置的地震波相位和幅度的差异，更准确地模拟河谷差动效应，有效地弥补了以往地震模拟振动台设施的不足。
Description
技术领域
本发明涉及土木、水利工程抗震模拟试验技术，特别涉及一种可实现高低频加载与地震动河谷差动效应的大型高坝振动台模拟实验装置。
背景技术
近年来，我国水电事业迅速发展，一大批坝高超过300m的高坝已经建成或相继开始建设。目前全球坝高排名前100名的大坝中，我国占20座，其中超过200m的有14座。地震作用下，大坝工程，尤其是高坝工程的抗震性能关系着大坝下游成千上万的居民的生命和财产安全。因此，地震作用下，高坝坝体和地基的地震动动力响应研究对于高坝工程安全有重要意义。振动台是进行地震工程模拟研究的最有效设施，将高坝坝体置于振动台上进行动力响应模拟实验，可对大坝的抗震设计与抗震性能分析进行验证与校核，为高坝工程设计和安全运行提供依据。
目前，高坝振动台模拟试验存在几个显著问题。首先，加载频率与几何尺寸及载重出现了较大矛盾。地震动可能影响到大坝的第十阶自振频率，若采用大型振动台模拟，则尺寸可放大，模拟精度提升，但高频无法加载；若采用小型振动台模拟，则可进行高频加载，但几何尺寸较小，模拟精度受限。其次，已有的研究成果和震害调查结果证明，河谷场地对地震动有重要的影响，当地震发生时，高坝工程沿坝基交界面的不同位置的地震动幅度和相位存在明显差异，从而造成严重的震害现象。宁夏海原8.5级地震、云南省通海与峨山间的7.7级地震、辽宁海城地震都在河谷场地出现了地震动异常现象，导致了严重震害。然而，现有的大型振动台很难同时满足上述模拟需求。
为此，本发明提出一种模拟装置，可满足大比尺条件下的高坝高频加载，同时可满足河谷差动效应的模拟。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种可模拟大比尺模型试验的大型振动台试验装置，该装置可同时提供高频和低频地震动输入，也能实现河谷差动效应的模拟。
本发明所采用的技术方案是：一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，包括：
低频门式反力墙，所述低频门式反力墙设置在振动台基础上，位于所述低频门式反力墙内的所述振动台基础内开设有振动台安装空间；
低频振动台，所述低频振动台设置在所述振动台安装空间内；
高频门式反力墙，所述高频门式反力墙设置在所述低频振动台上；
高频振动台，所述高频振动台设置在所述低频振动台上，并位于所述高频门式反力墙内；
土箱，所述土箱置于所述高频振动台上，所述土箱内放置按比例缩小后的待测高坝的模拟坝体和模拟地基，所述模拟地基与所述土箱之间设置有用于模拟无限地基辐射阻尼效应的阻尼边界；
反力低频作动器，所述反力低频作动器固定在所述低频门式反力墙上，并直接作用于所述土箱；
反力高频作动器，所述反力高频作动器固定在所述高频门式反力墙上，并直接作用于所述土箱；
低频振动台作动器，所述低频振动台作动器固定在所述振动台安装空间的侧壁和底面，并直接作用于所述低频振动台；以及，
高频振动台作动器，所述高频振动台作动器固定在所述低频振动台上，并直接作用于所述高频振动台，同时，所述高频振动台和所述低频振动台之间通过所述高频振动台作动器连接。
进一步地，所述低频门式反力墙和所述高频门式反力墙均呈“门”字形结构，包括两面竖直墙体和反力墙拉杆，所述反力墙拉杆连接两面所述竖直墙体的顶部，将所述竖直墙体受到的弯矩作用转化为所述反力墙拉杆所受拉力。
进一步地，所述反力低频作动器和所述反力高频作动器均沿水平方向布置。
进一步地，所述反力低频作动器和所述反力高频作动器均沿竖直方向布置有若干。
进一步地，设置在所述振动台安装空间侧壁的所述低频振动台作动器沿水平方向布置并沿所述低频振动台的四周布置；设置在所述振动台安装空间底面的所述低频振动台作动器沿竖直方向布置；所述低频振动台作动器沿竖直方向布置。
本发明的有益效果是：本发明一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，采用低频振动台和高频振动台联合振动的试验方法，可为高坝地震动力响应模拟试验同时提供高频和低频地震波输入；门式反力墙结构可将弯矩作用有效转化为反力墙拉杆的拉力作用，其中的高频门式反力墙和低频门式反力墙可提供垂直河谷方向的高频和低频地震动的输入，同时还可模拟沿坝基交界面的不同位置的地震波相位和幅度的差异，更准确地模拟河谷差动效应，有效地弥补了以往地震模拟振动台设施的不足。采用本发明模拟装置进行模拟试验，可以更准确地反映坝体实际的地震响应。
附图说明
图1：本发明考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置的结构示意图；
附图标注：1、低频振动台；2、高频振动台；3、反力高频作动器；4、反力低频作动器；5、低频门式反力墙；6、高频门式反力墙；7、反力墙拉杆；8、土箱；9、阻尼边界；10、模拟地基；11、模拟坝体；12、高频振动台作动器；13、低频振动台作动器。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1所示，一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，包括低频振动台1，高频振动台2，反力高频作动器3，反力低频作动器4，低频门式反力墙5、高频门式反力墙6、高频振动台作动器12和低频振动台作动器13等。
在振动台基础内开设有振动台安装空间，所述低频振动台1设置在所述振动台安装空间内，所述低频振动台作动器13固定在所述振动台安装空间的侧壁和底面，并直接作用于所述低频振动台1，其中，设置在所述振动台安装空间侧壁的所述低频振动台作动器13沿水平方向布置并沿所述低频振动台1的四周布置，设置在所述振动台安装空间底面的所述低频振动台作动器13沿竖直方向布置；所述高频振动台2设置在所述低频振动台1上，所述高频振动台作动器12固定在所述低频振动台1上，并直接作用于所述高频振动台2，所述低频振动台作动器13沿竖直方向布置，通过所述高频振动台作动器12连接所述低频振动台1和所述高频振动台2，可将低频振动激励传递至所述高频振动台2进而传递给所述高频振动台2上的试验结构。所述试验结构包括通过由实际工程按一定的比尺整体缩小的待测高坝的模拟坝体11和模拟地基10，所述模拟坝体11和地基10置于土箱8内，所述土箱8的两侧、在所述模拟地基10和所述土箱8内壁之间设置阻尼边界9，用于模拟无限地基辐射的阻尼效应；所述土箱8置于所述高频振动台2上。
所述低频门式反力墙5设置在所述振动台基础上，并位于所述低频振动台1范围以外，为设置在其上的所述反力低频作动器4提供反力，所述反力低频作动器4直接作用于所述土箱8，为试验提供低频地震波输入。所述高频门式反力墙6设置在所述低频振动台1上，并位于所述高频振动台2范围以外，所述高频门式反力墙6随所述低频振动台1振动，并为设置在其上的所述反力高频作动器3提供反力，所述反力高频作动器3也直接作用于所述土箱8，为试验提供高频地震波输入。
为了降低反力墙地段受到弯矩作用而拉裂，所述低频门式反力墙5和所述高频门式反力墙6均呈“门”字形结构，包括两面竖直墙体和反力墙拉杆7，所述反力墙拉杆7连接两面所述竖直墙体的顶部，将所述竖直墙体受到的弯矩作用转化为所述反力墙拉杆7所受拉力。
所述反力低频作动器4和所述反力高频作动器3均沿竖直方向布置有若干，并且，所述反力低频作动器4和所述反力高频作动器3均沿水平方向布置。
实施例1
低频振动台1的台面尺寸为20m×15m，可提供0～25Hz以下的低频振动输入；高频振动台2的台面尺寸为10m×6m，可提供25Hz～50Hz的高频振动输入，坝体的原型坝高300m，按照1:80比尺进行试验，模拟坝体11的高为3.75m，模拟地基10的土体深度、上游和下游范围均取为1倍模拟坝体11的高度，左右岸模拟地基10的土体范围取为半倍模拟坝体11的高度，总重量800t。坝体的第10节自振频率约5Hz，按重力相似准则计算，若要模拟该阶频率的动力响应，振动台需提供44.7Hz的振动频率输入，本实施例中的高频振动台2可满足频率要求；反力墙拉杆7的尺寸和数量根据试验计算按需设置；试验时，低频振动台1将25Hz一下的地震波输入传递至高频振动台2，高频振动台2独立提供高于25Hz的地震波输入，并与低频振动台1传入的地震波合成输入至模拟地基10底部；反力高频作动器3和反力低频作动器4分别在不同高程提供幅值和相位各不相同的地震波输入，从而模拟河谷差动效应。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，其特征在于，包括：
低频门式反力墙(5)，所述低频门式反力墙(5)设置在振动台基础上，位于所述低频门式反力墙(5)内的所述振动台基础内开设有振动台安装空间；
低频振动台(1)，所述低频振动台(1)设置在所述振动台安装空间内；
高频门式反力墙(6)，所述高频门式反力墙(6)设置在所述低频振动台(1)上；
高频振动台(2)，所述高频振动台(2)设置在所述低频振动台(1)上，并位于所述高频门式反力墙(6)内；
土箱(8)，所述土箱(8)置于所述高频振动台(2)上，所述土箱(8)内放置按比例缩小后的待测高坝的模拟坝体(11)和模拟地基(10)，所述模拟地基(10)与所述土箱(8)之间设置有用于模拟无限地基辐射阻尼效应的阻尼边界(9)；
反力低频作动器(4)，所述反力低频作动器(4)固定在所述低频门式反力墙(5)上，并直接作用于所述土箱(8)；
反力高频作动器(3)，所述反力高频作动器(3)固定在所述高频门式反力墙(6)上，并直接作用于所述土箱(8)；
低频振动台作动器(13)，所述低频振动台作动器(13)固定在所述振动台安装空间的侧壁和底面，并直接作用于所述低频振动台(1)；以及，
高频振动台作动器(12)，所述高频振动台作动器(12)固定在所述低频振动台(1)上，并直接作用于所述高频振动台(2)，同时，所述高频振动台(2)和所述低频振动台(1)之间通过所述高频振动台作动器(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，其特征在于，所述低频门式反力墙(5)和所述高频门式反力墙(6)均呈“门”字形结构，包括两面竖直墙体和反力墙拉杆(7)，所述反力墙拉杆(7)连接两面所述竖直墙体的顶部，将所述竖直墙体受到的弯矩作用转化为所述反力墙拉杆(7)所受拉力。
3.根据权利要求1所述的一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，其特征在于，所述反力低频作动器(4)和所述反力高频作动器(3)均沿水平方向布置。
4.根据权利要求1所述的一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，其特征在于，所述反力低频作动器(4)和所述反力高频作动器(3)均沿竖直方向布置有若干。
5.根据权利要求1所述的一种考虑河谷差动效应的高坝抗震试验模拟装置，其特征在于，设置在所述振动台安装空间侧壁的所述低频振动台作动器(13)沿水平方向布置并沿所述低频振动台(1)的四周布置；设置在所述振动台安装空间底面的所述低频振动台作动器(13)沿竖直方向布置；所述低频振动台作动器(13)沿竖直方向布置。
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