CN111351725A - 一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统,包括试验箱主体、辅助系统和自动化数据采集系统三部分。其特征是通过可拆卸的前、后、左、右侧板组成的试验箱主体具备可拆卸功能,实现试验后土体破坏特征的观测和土样的快速清除,通过试验箱主体内壁增加柔性材料解决了试验过程中的模型箱边界效应的问题。本发明主要用于水平荷载作用下桥梁基础与土相互作用效应的模型试验测试,主要测试桥梁基础在往复荷载作用下的基础位移、土压力等动态反应,并通过内置传感器与数据采集仪、计算机的连接,实现测试的自动化监测和采集,试验箱主体的可拆卸功能有利于多次重复试验的快速实施,具有试验周期短、效率高、测试全面的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内模型试验测试系统,具体是指一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统。可测试桥梁基础在水平往复荷载作用下的动态反应值(如土压力、基础位移、基础应变等),并通过传感器与数据采集仪、计算机的连接,实现对桥梁基础模型在墩顶往复荷载作用下的动态反应值的自动化监测和采集,并借助该系统的可拆卸功能实现对桥梁基础及周围土体破坏特征的观测。
背景技术
随着我国交通事业的发展,桥梁在交通网中占的比重越来越大,然而,桥梁工程一旦在地震中遭到破坏,不但会造成交通网的中断而且会带来巨大的经济损失。桥梁基础作为桥梁结构重要的组成部分承担着桥梁的全部荷载,对整个结构的使用和安全举足轻重。然而,以往的研究表明:桥梁基础在正常使用情况下具有良好的工作性能,但在地震作用下由于基础-土-上部结构的共同作用,使得桥梁在地震中的反应变得更加复杂,地震时由于基础破坏而引起桥梁破坏的现象非常普遍,国内外均有大量报道,柴金义和于浩2001年发表于《国外公路》的“阪神大地震对桥梁基础的影响”一文中就提到了1995年日本阪神地震造成关西高速公路桥梁基础受损的情况。因此,研究桥梁基础-土相互作用的地震破坏机理、承载能力、骨架曲线、滞回特性、耗能能力等主要抗震性能指标,将为地震区桥梁基础的精确分析、合理设计提供理论依据。
拟静力试验又称低周反复荷载试验,是指对桥梁结构或构件从正反两个方向重复加载和卸载,用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特性和变形特点。鉴于现场拟静力试验周期长、费用高、不便实施及不确定性因素大等缺点,室内拟静力模型试验在桥梁基础抗震性能的研究中有着具足轻重的作用。考虑基础的桥梁拟静力试验则需要模型箱系统以便于模拟桥梁基础-土相互作用体系。
目前,进行桥梁基础室内拟静力试验的模型箱系统主要有土工模型槽和土工模型箱两种。土工模型槽通常位于地面以下,通过在实验室地面挖掘矩形或正方形基坑,然后在基坑侧壁及底部浇筑混凝土而成,该设备的优点是尺寸大,可以减小试验时的模型箱尺寸效应,但需要实验室有足够大的场地,这也限制了该设备的实际应用范围。土工模型箱通过钢材等金属材料制作而成,相比土工模型槽尺寸较小,便于操作、移动方便,适宜于场地较小的实验室使用,但该设备造成的尺寸效应较明显。以上两种设备各有其优缺点,但它们存在着共同的缺点,包括试验过程中无法有效测试土中基础的变形;并且无法观测试验后基础及周围土体在深度方向上的破坏现象;同时由于设备无法拆卸,这就给试验后土体的挖除及模型的拆除带来极大的困难,在多组连续性对比模型试验中更显得不便,往往导致试验周期加长、劳动力投入增大、试验成本提高。因此发明一种可有效测试桥梁基础变形、易于试验后模型破坏现象观察和土体快速清除、且能提高多组连续模型试验效率的模型箱系统,对深入桥梁基础在地震作用下的破坏机理及抗震性能具有非常重要的意义。
发明内容
为解决现有拟静力试验模型箱存在的缺陷和不足,以便实现桥梁基础拟静力试验中基础变形测试、试验后破坏现象的观察、土体的快速清除及模型的拆除,本发明旨在提供一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统。该系统既能够实现试验后基础及周围土体破坏现象的观察,也能够实现试验后土体的快速清除及模型拆除。同时土样中的传感器可以实现对土压力、基础位移等变量的动态监测,并通过连接数据采集仪、计算机实现数据的自动化采集与存储。
本发明所采用的技术方案是:
一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统,包括试验箱主体、辅助系统和自动化数据采集系统三部分。试验箱主体由试验箱底板(1)、底座开口槽(2)、底座加强角钢(3)、可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)、可拆卸式右侧板(7)及连接螺栓(8)组成。其特征是试验箱底板(1)与设有加强角钢(3)的底座开口槽(2)通过焊接连接,将可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)、可拆卸式右侧板(7)插入底座开口槽(2)内,可拆卸式左侧板(6)和可拆卸式右侧板(7)两端带弯折段,便于在两端用连接螺栓(8)与可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)共同组成试验箱主体。松掉连接螺栓(8)并从底座开口槽(2)中拔出可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)和可拆卸式右侧板(7),即可实现试验箱拆卸。辅助系统由试验箱底板侧板斜撑(9)、斜撑挡板(10)和柔性材料(11)组成,其特征是侧板斜撑(9)顶部与可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)通过螺栓(8)连接,侧板斜撑(9)底部与斜撑挡板(10)通过螺栓(8)连接,斜撑挡板(10)焊接于试验箱底板(1)上,侧板斜撑(9)可增强可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)的刚度及稳定性,柔性材料(11)设置在试验箱侧板内壁,用于降低试验箱的边界效应。自动化数据采集系统由土压力计(12)、引线辅助孔(13)、PVC管(14)、位移计拉线(15)、位移计支架底板(16)、位移计支架立柱(17)、拉线式位移计(18)、传感器引线(19)、数据采集仪(20)和计算机(21)组成,其特征是将土压力计(12)固定于桥梁基础(22)侧面,并将传感器引线(19)通过位于可拆卸式前侧板(4)上的引线辅助孔(13)引出,位移计拉线(15)一端固定于桥梁基础(22)侧面,另一端通过PVC管(14)引出可拆卸式前侧板(4),并接到固定于位移计支架立柱(17)上的拉线式位移计(18),位移计支架立柱(17)焊接在位移计支架底板(16)上,传感器引线(19)与数据采集仪(20)相连后,通过计算机(21)实现数据自动化采集和存储,共同组成了自动化数据采集系统。
本发明的优点和产生的有益效果是:
1、本发明克服了常规桥梁基础拟静力试验槽及试验箱无法拆卸的缺点,通过试验箱侧板的拆卸给试验后土体的快速清除及模型的拆除带来极大的方便,进而缩短试验周期,降低试验成本,有利于重复多组连续试验。
2、本发明克服了常规桥梁基础拟静力土工模型槽及土工模型箱无法有效测试基础位移的缺点,通过拉线式位移计实现试验过程中对基础位移的准确测定。
3、本发明试验箱体内部设置柔性材料可有效降低模型试验过程中的刚性边界效应。
4、本发明侧板拆除后可实现对试验后基础及周围土体破坏现象的观察,为理论分析提供最直观的资料。
5、本发明将各类传感器通过数据采集仪与计算机的连接,实现了整个试验过程的自动化,提高了试验效率。
附图说明
图1是本发明结构俯视图;
图2是本发明结构立面图;
图3是本发明外观正视图;
图4是本发明外观侧视图;
图5是用本发明进行拟静力试验实测的桥梁桩基础位移曲线。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明再做进一步的说明:
如图1-4所示,一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统,包括试验箱主体、辅助系统和自动化数据采集系统三部分。试验箱主体由试验箱底板(1)、底座开口槽(2)、底座加强角钢(3)、可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)、可拆卸式右侧板(7)及连接螺栓(8)组成。其特征是试验箱底板(1)与设有加强角钢(3)的底座开口槽(2)通过焊接连接,底座开口槽(2)高度不宜超过30cm,将可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)、可拆卸式右侧板(7)插入底座开口槽(2)内,可拆卸式左侧板(6)和可拆卸式右侧板(7)两端带弯折段,便于在两端用连接螺栓(8)与可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)共同组成试验箱主体,连接螺栓(8)数量宜根据试验箱高度确定,为保证整体效果,间距不能超过50cm。松掉连接螺栓(8)并从底座开口槽(2)中拔出可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)和可拆卸式右侧板(7),即可实现试验箱拆卸。辅助系统由试验箱底板侧板斜撑(9)、斜撑挡板(10)和柔性材料(11)组成,其特征是侧板斜撑(9)顶部与可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)通过螺栓(8)连接,侧板斜撑(9)底部与斜撑挡板(10)通过螺栓(8)连接,斜撑挡板(10)焊接于试验箱底板(1)上,侧板斜撑(9)用于增强可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)的刚度及稳定性,柔性材料(11)设置在试验箱侧板内壁,可选取聚乙烯泡沫板或岩棉板,厚度宜为10-20cm,用于降低试验箱的边界效应。自动化数据采集系统由土压力计(12)、引线辅助孔(13)、PVC管(14)、位移计拉线(15)、位移计支架底板(16)、位移计支架立柱(17)、拉线式位移计(18)、传感器引线(19)、数据采集仪(20)和计算机(21)组成,其特征是将土压力计(12)固定于桥梁基础(22)侧面,并将传感器引线(19)通过位于可拆卸式前侧板(4)上的引线辅助孔(13)引出,位移计拉线(15)一端固定于桥梁基础(22)侧面,另一端通过PVC管(14)引出可拆卸式前侧板(4),PVC管的作用是消除土体摩擦对位移精度的影响,提高测试精度,引出后的另一端接到固定于位移计支架立柱(17)上的拉线式位移计(18),位移计支架立柱(17)焊接在位移计支架底板(16)上,传感器引线(19)与数据采集仪(20)相连后,通过计算机(21)实现数据自动化采集和存储,共同组成了自动化数据采集系统。
测试实例
利用本发明对桥梁桩基础-土相互作用体系进行了拟静力试验测试,采用缩尺模型结构,测试模型的桩长160cm,桩径19cm,承台尺寸85cm×75cm×31cm(长宽高),桥墩高100cm,截面尺寸为51cm×35cm,桥墩和桩基础的纵向配筋率分别是0.40%和0.43%,本次测试实例主要对水平往复荷载作用下的桥梁桩基础位移进行了测量,本次测试实例中在不同深度处设置了6个位移测点。
图5是采用本发明进行拟静力试验实测的桥梁桩基础位移曲线,从图5中可以看出,桥梁桩基础不同深度的位移随着加载荷载的增加呈增大趋势,地面处的位移最大,可以有效反映出在水平荷载作用下桥梁基础的位移变化特征,测试过程方便,数据稳定。
Claims (4)
1.一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统,包括试验箱主体、辅助系统和自动化数据采集系统三部分,其特征在于:
所述的试验箱主体包括试验箱底板(1)、底座开口槽(2)、底座加强角钢(3)、可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)、可拆卸式右侧板(7)及连接螺栓(8),其特征是试验箱底板(1)与设有加强角钢(3)的底座开口槽(2)通过焊接连接,底座开口槽(2)高度不宜超过30cm,将可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)、可拆卸式右侧板(7)插入底座开口槽(2)内,可拆卸式左侧板(6)和可拆卸式右侧板(7)两端带弯折段,便于在两端用连接螺栓(8)与可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)共同组成试验箱主体;
所述的辅助系统包括试验箱底板侧板斜撑(9)、斜撑挡板(10)和柔性材料(11),其特征是侧板斜撑(9)顶部与可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)通过螺栓(8)连接,侧板斜撑(9)底部与斜撑挡板(10)通过螺栓(8)连接,斜撑挡板(10)焊接于试验箱底板(1)上,侧板斜撑(9)用于增强可拆卸式前侧板(4)和可拆卸式后侧板(5)的刚度及稳定性,柔性材料(11)设置在试验箱侧板内壁;
所述的自动化数据采集系统包括土压力计(12)、引线辅助孔(13)、PVC管(14)、位移计拉线(15)、位移计支架底板(16)、位移计支架立柱(17)、拉线式位移计(18)、传感器引线(19)、数据采集仪(20)和计算机(21)其特征是将土压力计(12)固定于桥梁基础(22)侧面,并将传感器引线(19)通过位于可拆卸式前侧板(4)上的引线辅助孔(13)引出,位移计拉线(15)一端固定于桥梁基础(22)侧面,另一端通过PVC管(14)引出可拆卸式前侧板(4),引出后的另一端接到固定于位移计支架立柱(17)上的拉线式位移计(18),位移计支架立柱(17)焊接在位移计支架底板(16)上,传感器引线(19)与数据采集仪(20)相连后,再连接计算机(21)共同组成了自动化数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统,其特征是柔性材料(11)紧贴试验箱主体可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)、可拆卸式右侧板(7)内壁布置,柔性材料(11)可选用聚乙烯泡沫板、岩棉板等。
3.根据权利要求1所述的一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统,其特征是松掉连接螺栓(8)并从底座开口槽(2)中拔出可拆卸式前侧板(4)、可拆卸式后侧板(5)、可拆卸式左侧板(6)和可拆卸式右侧板(7),即可实现试验箱主体的拆卸。
4.根据权利要求1所述的一种用于桥梁基础与土相互作用拟静力试验的模型箱系统,其特征是土中基础位移的测试通过拉线式位移计(18)实现,土中需要设置PVC管(14)保护位移计拉线(15)。
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