CN111912711A - 一种用于结构拟静力试验的综合模型槽系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于结构拟静力试验的综合模型槽系统,包括模型槽主体、转换系统、辅助系统和数据采集系统四部分。其特征是通过活动式隔板在模型槽内的移动实现考虑结构‑基础‑土相互作用型拟静力模型试验缩尺比例的灵活缩放,通过转换系统实现结构底部固结型和考虑结构‑基础‑土相互作用型两类拟静力模型试验间的便捷转换,通过模型槽内壁铺设柔性材料解决了试验的边界效应问题。本发明主要用于水平往复荷载作用下结构或基础的模型试验测试,可测试结构或基础在水平往复荷载作用下的动态反应值,并通过传感器与数据采集设备、计算机的连接,实现对结构或基础模型在墩顶往复荷载作用下的动态反应值的监测和采集,并借助该系统的综合功能实现不同类型拟静力试验间的便捷转换,具有试验空间利用率高、适应性强、测试全面的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内综合模型试验测试系统,具体是指一种用于结构拟静力试验的综合模型槽系统。用于结构或基础的拟静力试验测试,并借助该系统的综合功能实现不同类型拟静力试验间的便捷转换及基础拟静力试验缩尺比例的灵活缩放。
背景技术
随着我国经济的发展,基建作为关系国计民生的重要工程凸显出越来越重要的地位。然而,一旦这些生命线工程在地震中遭到破坏,不但会带来巨大的经济损失而且会由于交通网的中断而延误宝贵的黄金救援时间,加剧次生灾害的发生。仅以近些年来国内外几次典型地震为例,大量结构在地震中遭受了严重的破坏。杜修力和韩强2008年发表于《北京工业大学学报》的“5.12汶川地震中山区公路桥梁震害及启示”一文中就提到了2008年汶川地震造成6140座公路桥梁受损的情况。熊立红等发表于《北京工业大学学报》的“5.12汶川地震中多层房屋典型震害规律研究”一文介绍了汶川地震造成大量房屋建筑受损的情况。金来建等发表于《建筑结构学报》的“汶川地震中单层钢筋混凝土柱厂房典型震害分析”一文介绍了汶川地震造成大量工业厂房受损的情况。可见,地震不仅会造成工业及民用建筑的破坏,而且会造成桥梁等交通结构物的破坏。因此,观察地震作用下结构的破坏特征,研究结构的主要抗震性能指标,将为地震区的建筑及桥梁等结构物的精确分析及抗震设计提供重要的理论依据。
拟静力试验通过对结构或构件施加正反两个方向的循环荷载来实现模拟地震时结构在往复振动中的破坏特征和受力特点的目的,其模拟结果可为地震区结构的抗震设计及灾害防治提供宝贵的一手资料。拟静力试验可分为现场拟静力试验和室内拟静力试验。相对于现场试验,室内拟静力模型试验周期短、成本低且易于控制,因此成为结构抗震研究者常用的一种试验手段。由于室内拟静力模型试验通常在实验室内进行,试验模型槽系统便成为该类试验不可或缺的重要设备。
目前,结构的拟静力试验按模型的固结部位不同可分为主体底部固结和考虑上部结构-土-基础相互作用体系两类。主体底部固结的拟静力试验不考虑基础-土的相互作用,将按一定比例缩尺后的房屋或桥墩在模型底部固结于实验室地面。考虑上部结构-土-基础相互作用的拟静力试验,侧重于研究上部结构-土-基础的相互作用,将缩尺后的模型置于土工模型槽内。以上两种类型的拟静力试验被广泛的用于研究结构的抗震性能,但由于两类试验要求的固结方式不同,导致两类试验的实施往往需要各自的场地,这给实验室尤其是场地受限的实验室带来极大困难,而且在不同的试验之间反复移动庞大的作动器(提供水平往复荷载的液压千斤顶)往往耗时耗力,使得实验室的空间利用率和分组试验的效率明显降低。同时,目前常用的土工模型槽无法实现基础变形和土压力的测量。因此发明一种可同时实施结构底部固结型和考虑上部结构-土-基础相互作用型两类拟静力模型试验、有效测试基础变形和土压力的变化、以最大效率利用实验室空间的综合模型槽系统,对深入研究结构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
为解决现有拟静力模型试验存在的缺陷和不足,以便实现两类拟静力试验的集成化、试验中基础变形和土压力的测试、实验室空间利用率及试验效率的最大化,本发明旨在提供一种用于结构拟静力试验的综合模型槽系统。该系统既能够同时实现结构底部固结型和考虑上部结构-土-基础相互作用型两类拟静力模型试验的实施及基础拟静力试验缩尺比例的自由缩放,也能够实现试验中对土压力、基础位移等变量的实时监测,最大限度提高实验室的空间利用率和不同类型拟静力模型试验的效率。
本发明所采用的技术方案是:
一种用于结构拟静力试验的综合模型槽系统,包括模型槽主体、转换系统、辅助系统和数据采集系统四部分。模型槽主体由模型槽前侧壁(1)、模型槽左侧壁(2)、模型槽后侧壁(3)、模型槽右侧壁(4)、活动式隔板(5)、模型槽底板(6)及活动式隔板卡槽(7)组成。其特征是通过在实验室地面开挖基坑,采用混凝土沿基坑内壁浇筑模型槽前侧壁(1)、模型槽左侧壁(2)、模型槽后侧壁(3)、模型槽右侧壁(4)及模型槽底板(6),并在模型槽左侧壁(2)和模型槽右侧壁(4)上预留活动式隔板卡槽(7),通过将钢制的活动式隔板(5)插入活动式隔板卡槽(7)组成模型槽主体。通过调整活动式隔板(5)在活动式隔板卡槽(7)间的位置,可实现模型槽体积的改变,进而达到适应不同缩尺比拟基础模型试验的目的。转换系统由钢制的转换垫板(8)、转换垫板固定孔(9)和模型固定孔(10)组成,其特征是转换垫板(8)借助螺杆通过转换垫板固定孔(9)固定于模型槽底板(6)上,底部固结模型通过模型固定孔(10)固定于转换垫板(8)上。通过转换垫板(8)的安装与拆除即可实现结构底部固结型和考虑结构-基础-土相互作用型两类不同类型拟静力模型试验的便捷转换。辅助系统由活动式隔板斜撑(11)、斜撑底板(12)、斜撑顶螺栓(13)、斜撑底螺栓(14)、斜撑锚固板(15)和柔性材料(16)组成,其特征是活动式隔板斜撑(11)顶部与活动式隔板(5)通过斜撑螺栓(13)连接,活动式隔板斜撑(11)底部与斜撑底板(12)焊接连接,斜撑底板(12)通过斜撑底螺栓(14)固定于斜撑锚固板(15)上,活动式隔板斜撑(11)可增强活动式隔板(5)的刚度及稳定性,柔性材料(16)设置在模型槽内壁四周,用于降低模型槽的边界效应。数据采集系统由土压力传感器(16)、保护套管(17-18)、传感器引线孔(19)、位移传感器拉线(20)、位移传感器固定架底座(21)、位移传感器固定架(22)、拉线式位移传感器(23)、土压力传感器引线(24)、拉线式位移传感器引线(25)、数据采集设备(26)和计算机(27)组成,其特征是将位移传感器拉线(20)一端连接于结构基础(28)侧面,另一端穿过保护套管(17)连接到固定于位移传感器固定架(22)上的拉线式位移传感器(23)上,土压力传感器(16)粘贴于结构基础(28)侧面,并将土压力传感器引线(24)穿过保护套管(18)引出,保护套管(17)和保护套管(18)穿过位于活动式隔板(5)上的传感器引线孔(19)引出,土压力传感器引线(24)和拉线式位移传感器引线(25)与数据采集设备(26)连接后,通过计算机(27)实现数据的采集和存储。
本发明的优点和产生的有益效果是:
1、本发明克服了常规结构拟静力试验模型槽无法同时实现结构底部固结型和考虑上部结构-土-基础相互作用型两类拟静力模型试验的缺点,通过在试验槽内设置可调节高度的垫板和锚固系统来实现底部固结型拟静力试验模型的升降,通过转换垫板和锚固系统的安装与移除来实现两类拟静力试验在模型槽内的自由转换,进而实现两类拟静力试验的集成化,最终达到节省实验室空间,缩短分类试验的周期,提高试验效率的目的,有利于分类分组试验的实施;
2、本发明克服了常规结构拟静力试验模型槽无法改变模型槽体积的缺点,通过活动式隔板位置的调整实现基础拟静力试验缩尺比例的自由缩放;
3、本发明克服了常规结构拟静力试验模型槽无法有效测试基础位移的缺点,通过拉线式位移传感器实现试验过程中对基础位移的准确测定;
4、本发明克服了常规结构拟静力试验模型槽无法有效测试基础侧壁土压力的缺点,通过动态土压力传感器实现试验过程中基础侧壁土压力的实时监测;
5、本发明试验模型槽内部设置了分段隔挡和柔性材料可有效降低不同比例缩尺模型试验过程中的刚性边界效应。
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挖井基础位移曲线。
具体实施方式
以下结合附图,对本发明做进一步的说明:
如图1-4所示,一种用于结构拟静力试验的综合模型槽系统,包括模型槽主体、转换系统、辅助系统和数据采集系统四部分。模型槽主体由模型槽前侧壁(1)、模型槽左侧壁(2)、模型槽后侧壁(3)、模型槽右侧壁(4)、活动式隔板(5)、模型槽底板(6)及活动式隔板卡槽(7)组成。其特征是模型槽前侧壁(1)、模型槽左侧壁(2)、模型槽后侧壁(3)、模型槽右侧壁(4)和模型槽底板(6)采用混凝土浇筑而成,借助活动式隔板卡槽(7)调整活动式隔板(5)的位置可改变模型槽的体积,进而实现不同缩尺比例基础拟静力模型试验的实施。为确保活动式隔板(5)的稳定性,除采用活动式隔板斜撑(11)支撑活动式隔板(5)外,活动式隔板卡槽(7)的宽度易控制在1.5-2cm之间。转换系统由钢制的转换垫板(8)、转换垫板固定孔(9)和模型固定孔(10)组成,其特征是将螺杆穿过转换垫板固定孔(9)将转换垫板(8)固定于模型槽底板(6)上,底部固结模型通过采用螺杆穿过模型固定孔(10)固定于转换垫板(8)上。通过增减转换垫板(8)的数量可以调整底部固结模型的高度,通过安装与拆除转换垫板(8)即可实现结构底部固结型和考虑结构-基础-土相互作用型两类不同类型拟静力试验的便捷转换,达到有效利用实验室空间的目的。辅助系统由活动式隔板斜撑(11)、斜撑底板(12)、斜撑顶螺栓(13)、斜撑底螺栓(14)、斜撑锚固板(15)和柔性材料(16)组成,其特征是活动式隔板斜撑(11)顶部与活动式隔板(5)通过斜撑顶螺栓(13)连接,活动式隔板斜撑(11)底部与斜撑底板(12)焊接连接,斜撑底板(12)通过斜撑底螺栓(14)固定于斜撑锚固板(15)上,斜撑锚固板(15)预埋于模型槽底板(6)的混凝土内,活动式隔板斜撑(11)可增强活动式隔板(5)的刚度及稳定性,柔性材料(16)可选取弹性较好的聚乙烯泡沫板铺设于模型槽内壁四周,用于降低模型槽的边界效应,泡沫板厚度以10-15cm为宜。数据采集系统由土压力传感器(16)、保护套管(17-18)、传感器引线孔(19)、位移传感器拉线(20)、位移传感器固定架底座(21)、位移传感器固定架(22)、拉线式位移传感器(23)、土压力传感器引线(24)、拉线式位移传感器引线(25)、数据采集设备(26)和计算机(27)组成,其特征是将位移传感器拉线(20)一端连接于结构基础(28)侧面,另一端穿过保护套管(17)连接到固定于位移传感器固定架(22)上的拉线式位移传感器(23)上,保护套管(17)可有效排除试验过程中位移传感器拉线(20)与填土间的摩擦,达到提高测试精度的目的,土压力传感器(16)粘贴于结构基础(28)侧面,并将土压力传感器引线(24)穿过保护套管(18)引出,保护套管(17)和保护套管(18)穿过位于活动式隔板(5)上的传感器引线孔(19)引出,土压力传感器引线(24)和拉线式位移传感器引线(25)与数据采集设备(26)连接后,通过计算机(27)实现数据的采集和存储。
测试实例
利用本发明对铁路桥梁挖井基础-土相互作用体系进行了拟静力试验测试,试验采用缩尺模型,测试模型挖井基础的尺寸为88cm×66cm×44cm(长、宽、高),桥墩高为174cm,截面尺寸为56cm×34cm,桥墩的纵向配筋率为0.38%,本次测试实例主要对水平往复荷载作用下桥梁挖井基础的位移进行了测量,本次测试实例在挖井基础的不同深度处设置了4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挖井基础位移曲线,从图5可以看出,桥梁挖井基础不同深度的位移随着加载荷载的增加呈增大趋势,挖井基础的变形以刚体偏转为主,试验结果可以有效反映出水平荷载作用下桥梁挖井基础的位移变化特征,测试过程简便易行,数据稳定。
Claims (4)
1.一种用于结构拟静力试验的综合模型槽系统,包括模型槽主体、转换系统、辅助系统和数据采集系统四部分:其特征在于,所述的模型槽主体包括模型槽前侧壁(1)、模型槽左侧壁(2)、模型槽后侧壁(3)、模型槽右侧壁(4)、活动式隔板(5)、模型槽底板(6)及活动式隔板卡槽(7)组成;其特征是模型槽前侧壁(1)、模型槽左侧壁(2)、模型槽后侧壁(3)、模型槽右侧壁(4)和模型槽底板(6)采用混凝土浇筑而成,活动式隔板(5)由钢板制作而成,活动式隔板卡槽(7)的宽度易控制在1.5-2cm之间,通过调整活动式隔板(5)在活动式隔板卡槽(7)上的位置可改变模型槽的体积,进而实现基础拟静力模型试验缩尺比例的自由缩放;所述的转换系统包括钢制的转换垫板(8)、转换垫板固定孔(9)和模型固定孔(10),其特征是转换垫板(8)借助螺杆通过转换垫板固定孔(9)固定于模型槽底板(6)上构成底部固结型模型的底座,底部固结模型通过模型固定孔(10)固定于转换垫板(8)上,转换垫板(8)由钢板制作而成,厚度宜为10-15cm;通过转换垫板(8)的安装与拆除可实现底部固结型和考虑结构-基础-土相互作用型两类不同类型拟静力试验间的便捷更换;所述的辅助系统包括活动式隔板斜撑(11)、斜撑底板(12)、斜撑顶螺栓(13)、斜撑底螺栓(14)、斜撑锚固板(15)和柔性材料(16),其特征是活动式隔板斜撑(11)顶部与活动式隔板(5)通过斜撑顶螺栓(13)连接,活动式隔板斜撑(11)底部与斜撑底板(12)焊接连接,斜撑底板(12)通过斜撑底螺栓(14)固定于斜撑锚固板(15)上,斜撑锚固板(15)预埋在模型槽底板(6)的混凝土内,活动式隔板斜撑(11)可增强活动式隔板(5)的刚度及稳定性,柔性材料(16)铺设于模型槽内壁四周;所述的数据采集系统包括土压力传感器(16)、保护套管(17-18)、传感器引线孔(19)、位移传感器拉线(20)、位移传感器固定架底座(21)、位移传感器固定架(22)、拉线式位移传感器(23)、土压力传感器引线(24)、拉线式位移传感器引线(25)、数据采集设备(26)和计算机(27),其特征是将位移传感器拉线(20)一端连接于结构基础(28)侧面,另一端穿过保护套管(17)连接到固定于位移传感器固定架(22)上的拉线式位移传感器(23)上,土压力传感器(16)粘贴于结构基础(28)侧面,并将土压力传感器引线(24)穿过保护套管(18)引出,保护套管(17)和保护套管(18)穿过位于活动式隔板(5)上的传感器引线孔(19)引出,土压力传感器引线(24)和拉线式位移传感器引线(25)与数据采集设备(26)连接后,通过计算机(27)实现数据的采集和存储。
2.根据权利要求1所述的结构拟静力试验综合模型槽,其特征是通过改变活动式隔板(5)在活动式隔板卡槽(7)上的位置可改变模型槽的体积,进而实现考虑结构-基础-土相互作用型拟静力模型试验缩尺比例的灵活缩放。
3.根据权利要求1所述的结构拟静力试验综合模型槽,其特征是通过安装与拆除转换垫板(8)可实现底部固结型和考虑结构-基础-土相互作用型两类不同类型拟静力模型试验间的便捷转换。
4.根据权利要求1所述的结构拟静力试验综合模型槽,其特征是模型槽内部设置了分段隔挡和柔性材料可有效降低不同比例缩尺模型试验过程中的刚性边界效应。
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