CN112834365A - 用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于力学测试设备技术领域，涉及一种用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱及使用方法，包括层叠式框架箱体、滚动滑移机构、限位滑移机构以及伸缩机构；所述层叠式框架箱体包括支撑框以及置于支撑框上方的多层双向U型框；所述支撑框和双向U型框之间以及相邻两层双向U型框之间均通过滚动滑移机构相连；所述滚动滑移机构为多个；所述伸缩机构置于双向U型框上；所述限位滑移机构分别置于层叠式框架箱体侧壁上。本发明能减小土箱边界效应的影响，实验误差小，连续性箱体，能较好的实现非一致地震激励产生的效果；构造简单，制作安装方便。

Description

用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱及使用方法
技术领域
本发明属于力学测试设备技术领域，涉及一种用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱及使用方法。
背景技术
目前，常用的土箱大致有3类，它们为刚性箱、圆筒形柔性箱和叠层剪切箱，它们的共同特点是底部均与振动台连接，且多为单体模型箱，不同的是土体对侧向边界的影响程度不同。在实际的振动台试验中，在模拟土体剪切变形方面较为理想的模型箱为剪切箱，剪切箱通常是由多层钢框叠合而成，相邻两层钢框可以相对滑移。虽然现有的剪切箱能模拟出土体剪切变形，但是现有土体剪切箱在使用过程中，存在以下问题：(1)边界的波动反射较大而产生的边界效应，导致难以反映土层的实际地震响应；(2)单体模型箱由于其整体性，对在非一致地震激励情况下的实现效果不理想。
发明内容
针对现有土体剪切箱存在的技术问题，本发明提供一种用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱及使用方法，能减小土箱边界效应的影响，实验误差小，连续性箱体，能较好的实现非一致地震激励产生的效果；构造简单，制作安装方便。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱包括层叠式框架箱体、滚动滑移机构、限位滑移机构以及伸缩机构；所述层叠式框架箱体包括支撑框以及置于支撑框上方的多层双向U型框；所述支撑框和双向U型框之间以及相邻两层双向U型框之间均通过滚动滑移机构相连；所述滚动滑移机构为多个；所述伸缩机构置于双向U型框上；所述限位滑移机构分别置于层叠式框架箱体侧壁上。
所述双向U型框包括两个中间管和两个第二U型体；所述两个中间管轴向平行设置，所述两个第二U型体分别位于两个中间管两端，且两个中间管通过两个第二U型体连接形成长方形结构；所述伸缩机构分别置于中间管与第二U型体连接处；所述第二U型体与支撑框之间、相邻两层第二U型体之间以及相邻两层中间管之间均通过滚动滑移机构相连接。
所述伸缩机构包括合页和套筒；所述第二U型体通过合页与套筒一端相连；所述套筒另一端伸入中间管内部。
所述限位滑移机构包括限位板、钢丝绳和U型锁；所述限位板分别置于双向U型框左右两端外，且所述限位板与每层的第二U型体固定连接；所述中间管外侧壁上开设限位孔；所述钢丝绳穿过每层中间管上的限位孔并通过U型锁锁紧。
所述限位滑移机构还包括螺钉、螺帽和限位滑槽；所述限位滑槽开设在限位板上；所述螺钉依次穿过限位滑槽和第二U型体并通过螺帽进固。
所述滚动滑移机构包括垫板以及小滚珠；所述垫板为纵断面结构为U形槽结构；所述垫板固定于每层双向U型框的下端面上；所述小滚珠固定于每层双向U型框的上端面上以及支撑框上端面上；所述小滚珠卡在垫板的U形槽内并在U形槽内滑动。
所述支撑框包括垫板、底板、钢柱、大滚珠、第一U型体和底座；所述底座结构为T型；所述底座为两个且轴向平行放置并通过横梁相连；所述底板分别置于底座轴向两端；所述第一U型体以上下两层的方式置于底板上；所述上层第一U型体两端与底座端面相固定；所述钢柱置于底板上且位于下层第一U型体与底座之间；所述大滚珠置于钢柱上表面上；所述垫板置于底座T型台阶下端面上；所述大滚珠置于垫板内且在垫板内滑移。
所述用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱还包括设置在支撑框相邻两边处和双向U型框相邻两边处的加劲肋。
一种用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱的使用方法，其特征在于：所述使用方法包括：
1)首先将支撑框固定在振动台上；
2)通过滚动滑移机构在支撑框上设置多层双向U型框，支撑框和多层双向U型框组成层叠式框架箱体，并通过限位滑移机构将层叠式框架箱体固定；
3)在层叠式框架箱体内壁上设置橡胶布；
4)然后将土体模型置于层叠式框架箱体内，向振动台施加振动激励，进行试验；
5)完成试验，对土体模型地震响应时的破坏进行观测。
进一步的，所述步骤4)的步骤是，根据实际地震情况，在层叠式框架箱体的多个位置施加非一致性激励时，置于双向U型框上的伸缩机构，使得双向U型框的中间管与第二U型体之间，以及中间管与双向U型框的框架之间发生滑移伸缩变形；所述限位板和钢丝绳使得层叠式框架箱体成为整体，所述垫板以及小滚珠满足层叠式框架箱体层与层之间的相对移动，土体满足地震时的剪切变形，同时对剪切箱边界的波动反射影响减小。
本发明的有益效果是：
本发明提供的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱包括层叠式框架箱体、滚动滑移机构、限位滑移机构以及伸缩机构；所述层叠式框架箱体包括支撑框以及置于支撑框上方的多层双向U型框；所述支撑框和双向U型框之间以及相邻两层双向U型框之间均通过滚动滑移机构相连；所述滚动滑移机构为多个；所述伸缩机构置于双向U型框上，能满足双向U型框滑移带来的滑移伸缩变形；所述限位滑移机构分别置于层叠式框架箱体侧壁上，实现层叠式框架箱体轴向限位固定和横向滑移。本发明构造简单，制作安装方便，箱体的中间管与两侧第二U形体之间的滑移伸缩变形，以及每层框架之间的滑移伸缩变形，可以更好的研究管-土之间的相互作用；通过限位滑槽、限位板改变了箱体的侧向刚度，优化了叠层剪切箱运动的独立性与相关性间的关系，从而减小了剪切箱边界的波动反射，进而减小了边界效应带来的实验误差，较好的反映土层的实际地震响应；采用层式箱体，对在非一致地震激励情况下的实现效果理想。
附图说明
图1为本发明提供的双向层叠式剪切土箱整体主视示意图；
图2为图1的侧视示意图；
图3为图1中最下层俯视结构示意图；
图4为图1中最上层俯视结构示意图；
图5为应用时，最下层固定在振动台上俯视示意图；
其中：
1—限位板；2—螺钉；3—螺帽；4—垫板；5—小滚珠；6—底板；7—钢柱；8—大滚珠；9—合页；10—套筒；11—钢丝绳；12—U型锁；13—加劲肋；14—横梁；15—限位滑槽；16—第一U型体；17—底座；18—中间管；19—第二U型体；20—振动台；21—螺栓孔。
具体实施方式
现结合附图以及实施例对发明做详细的说明。
实施例
参见图1-4，本实施例提供的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱包括层叠式框架箱体、滚动滑移机构、限位滑移机构以及伸缩机构；层叠式框架箱体包括支撑框以及置于支撑框上方的多层双向U型框；支撑框和双向U型框之间以及相邻两层双向U型框之间均通过滚动滑移机构相连；所述滚动滑移机构为多个；伸缩机构置于双向U型框上，能满足双向U型框滑移带来的滑移伸缩变形；限位滑移机构分别置于层叠式框架箱体侧壁上，实现层叠式框架箱体轴向限位固定和横向滑移。
参见图1和图4，本实施例提供的双向U型框包括两个中间管18和两个第二U型体19；两个中间管18轴向平行设置，两个第二U型体19分别位于两个中间管18两端，且两个中间管18通过两个第二U型体19连接形成长方形结构；伸缩机构分别置于中间管18与第二U型体19连接处；第二U型体19与支撑框之间、相邻两层第二U型体19之间以及相邻两层中间管18之间均通过滚动滑移机构相连接。
参见图1和图4，本实施例提供的伸缩机构包括合页9和套筒10；第二U型体19通过合页9与套筒10一端相连；套筒10另一端伸入中间管18内部。实施时，合页9能够将左右两侧的第二U型体19与套筒10连接，置于第二U型体19之间的中间管18可以变形伸缩。
参见图1和图2，本实施例提供的限位滑移机构包括限位板1、钢丝绳11和U型锁12；限位板1分别置于双向U型框左右两端外，且所述限位板1与每层的第二U型体19固定连接；中间管18外侧壁上开设限位孔；钢丝绳11穿过每层中间管18上的限位孔并通过U型锁12锁紧。本实施例提供的限位滑移机构还包括螺钉2、螺帽3和限位滑槽15；限位滑槽15开设在限位板1上；螺钉2依次穿过限位滑槽15和第二U型体19并通过螺帽3进固。本实施例中，通过钢丝绳11实现箱体各层框架纵向连接固定，并通过U型锁12进行限位；通过限位板1将各层框架固定，通过螺钉2和螺帽3将限位板1与各层框架连接，并使得螺钉2在限位滑槽15中进行纵向滑移。
参见图1和图2，本实施例提供的滚动滑移机构包括垫板4以及小滚珠5；垫板4为纵断面结构为U形槽结构；垫板4固定于每层双向U型框的下端面上；小滚珠5固定于每层双向U型框的上端面上以及支撑框上端面上；小滚珠5卡在垫板4的U形槽内并在U形槽内滑动。本实施例中，由于垫板4的U形槽结构，使得小滚珠5在一定范围内进行滑，从而使得各层框架可以在水平方向左右、前后滑移。
参见图1和图3，本实施例提供的支撑框包括垫板4、底板6、钢柱7、大滚珠8、第一U型体16和底座17；底座17结构为T型；底座17为两个且轴向平行放置并通过横梁14相连；底板6分别置于底座17轴向两端；第一U型体16以上下两层的方式置于底板6上；上层第一U型体16两端与底座17端面相固定；钢柱7置于底板6上且位于下层第一U型体16与底座17之间；大滚珠8置于钢柱7上表面上；垫板4置于底座17的T型台阶下端面上；大滚珠8置于垫板4内且在垫板4内滑移。通过底板6实现整个土箱体与振动台面固定连接，能承载土体模型；通过钢柱7和大滚珠8支撑土箱中间部分的重量，增强稳定性；通过横梁14能加强底板6的承载能力。
参见图3和图4，本实施例提供的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱还包括设置在支撑框相邻两边处和双向U型框相邻两边处的加劲肋13。实施时，加劲肋13与相邻两个第一U形体16形成三角形，加劲肋13与相邻两个第二U形体19形成三角形，加强各层框架的刚度。
本实施例提供的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱的使用方法包括：
1)首先将支撑框固定在振动台20上；通过底板6设置螺栓孔21，通过螺栓孔将底板6与振动台20固定(参见图5)；
2)通过滚动滑移机构在支撑框上设置多层双向U型框，支撑框和多层双向U型框组成层叠式框架箱体，并通过限位滑移机构将层叠式框架箱体固定；
3)在层叠式框架箱体内壁上设置橡胶布；
4)然后将土体模型置于层叠式框架箱体内，向振动台20施加振动激励，进行试验；
5)完成试验，对土体模型地震响应时的破坏进行观测。
步骤4)的步骤是：根据实际地震情况，在层叠式框架箱体的多个位置施加非一致性激励时，置于双向U型框上的伸缩机构，使得双向U型框的中间管18与第二U型体19之间，以及中间管18与双向U型框的框架之间发生滑移伸缩变形；限位板1和钢丝绳11使得层叠式框架箱体成为整体，垫板4以及小滚珠5满足层叠式框架箱体层与层之间的相对移动，土体满足地震时的剪切变形，同时对剪切箱边界的波动反射影响减小。
本实施例中，非一致激励，即对于研究对象的不同边界点的激励输入不一致。具体的，根据地震距离、深度以及不同地震动衰减等因素，在箱体的边界点施加不同的震动激励，从而模拟得出的相应效果更准确。
本发明提供的叠层剪切箱，两侧为对称U形体，通过中间的底座或是中间管连接成箱体结构；且每层箱框之间能在水平方向上任意滑移，伸缩机构使得箱体中间部分的变形效果达到预期的效果；优化了叠层剪切箱运动的独立性与相关性间的关系，减小了剪切箱边界的波动反射，实验误差小，能较好的反映土层的实际地震响应；分层式土箱，模型在非一致地震激励情况下，模型响应效果理想。

Claims (10)

1.一种用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱，其特征在于：所述用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱包括层叠式框架箱体、滚动滑移机构、限位滑移机构以及伸缩机构；
所述层叠式框架箱体包括支撑框以及置于支撑框上方的多层双向U型框；所述支撑框和双向U型框之间以及相邻两层双向U型框之间均通过滚动滑移机构相连；所述滚动滑移机构为多个；所述伸缩机构置于双向U型框上；所述限位滑移机构分别置于层叠式框架箱体侧壁上。
2.根据权利要求1所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱，其特征在于：所述双向U型框包括两个中间管(18)和两个第二U型体(19)；所述两个中间管(18)轴向平行设置，所述两个第二U型体(19)分别位于两个中间管(18)两端，且两个中间管(18)通过两个第二U型体(19)连接形成长方形结构；所述伸缩机构分别置于中间管(18)与第二U型体(19)连接处；所述第二U型体(19)与支撑框之间、相邻两层第二U型体(19)之间以及相邻两层中间管(18)之间均通过滚动滑移机构相连接。
3.根据权利要求2所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱，其特征在于：所述伸缩机构包括合页(9)和套筒(10)；所述第二U型体(19)通过合页(9)与套筒(10)一端相连；所述套筒(10)另一端伸入中间管(18)内部。
4.根据权利要求3所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱，其特征在于：所述限位滑移机构包括限位板(1)、钢丝绳(11)和U型锁(12)；所述限位板(1)分别置于双向U型框左右两端外，且所述限位板(1)与每层的第二U型体(19)固定连接；所述中间管(18)外侧壁上开设限位孔；所述钢丝绳(11)穿过每层中间管(18)上的限位孔并通过U型锁(12)锁紧。
5.根据权利要求4所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱，其特征在于：所述限位滑移机构还包括螺钉(2)、螺帽(3)和限位滑槽(15)；所述限位滑槽(15)开设在限位板(1)上；所述螺钉(2)依次穿过限位滑槽(15)和第二U型体(19)并通过螺帽(3)进固。
6.根据权利要求5所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱，其特征在于：所述滚动滑移机构包括垫板(4)以及小滚珠(5)；所述垫板(4)为纵断面结构为U形槽结构；所述垫板(4)固定于每层双向U型框的下端面上；所述小滚珠(5)固定于每层双向U型框的上端面上以及支撑框上端面上；所述小滚珠(5)卡在垫板(4)的U形槽内并在U形槽内滑动。
7.根据权利要求6所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱，其特征在于：所述支撑框包括垫板(4)、底板(6)、钢柱(7)、大滚珠(8)、第一U型体(16)和底座(17)；所述底座(17)结构为T型；所述底座(17)为两个且轴向平行放置并通过横梁(14)相连；所述底板(6)分别置于底座(17)轴向两端；所述第一U型体(16)以上下两层的方式置于底板(6)上；所述上层第一U型体(16)两端与底座(17)端面相固定；所述钢柱(7)置于底板(6)上且位于下层第一U型体(16)与底座(17)之间；所述大滚珠(8)置于钢柱(7)上表面上；所述垫板(4)置于底座(17)T型台阶下端面上；所述大滚珠(8)置于垫板(4)内且在垫板(4)内滑移。
8.根据权利要求7所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱，其特征在于：所述用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱还包括设置在支撑框相邻两边处和双向U型框相邻两边处的加劲肋(13)。
9.一种如权利要求8所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱的使用方法，其特征在于：所述使用方法包括：
1)首先将支撑框固定在振动台(20)上；
2)通过滚动滑移机构在支撑框上设置多层双向U型框，支撑框和多层双向U型框组成层叠式框架箱体，并通过限位滑移机构将层叠式框架箱体固定；
3)在层叠式框架箱体内壁上设置橡胶布；
4)然后将模型土体置于层叠式框架箱体内，向振动台(20)施加振动激励，进行试验；
5)完成试验，对模型土体地震响应时的破坏进行观测。
10.根据权利要求9所述的用于振动台试验的双向叠层式剪切土箱的使用方法，其特征在于：所述步骤4)的步骤是：根据实际地震情况，在层叠式框架箱体的多个位置施加非一致性激励时，置于双向U型框上的伸缩机构，使得双向U型框的中间管(18)与第二U型体(19)之间，以及中间管(18)与双向U型框的框架之间发生滑移伸缩变形；所述限位板(1)和钢丝绳(11)使得层叠式框架箱体成为整体，所述垫板(4)以及小滚珠(5)满足层叠式框架箱体层与层之间的相对移动，土体满足地震时的剪切变形，同时对剪切箱边界的波动反射影响减小。
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