CN113324719B - 一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程模拟技术领域，尤其涉及一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置及分析方法；包括分析主机、施震模块和地形模拟模块；摒弃现有技术中使用周期性的位移结构带动整体装置振动的方案，使用弹性的模拟地面，对地形进行模拟，进一步配合配重块实现所需振动的模拟，可以同时模拟横波、纵波的振动，在震动时观察地形的变化是否符合预期，提高了模拟的精准度，适合复杂情况下的真实模拟；使用实力装置敲击实现振动，振动带动弹性材料，振动更加真实，且可以连续敲击，比市面上任何振动模拟装置都更加真实；本装置成本低廉，适合推广使用，施加的振动可以通过施震模块调节，适合实验室和设计院使用。

Description

一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置及分析方法

技术领域

本发明涉及工程模拟技术领域，尤其涉及一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置及分析方法。

背景技术

结构抗震性能是指在地震作用下，结构构件的承载能力、变形能力、耗能能力、刚度及破坏形态的变化和发展。延性大的结构其抗震性能好，因为良好的延性使结构有更大的变形能力，塑性区的发展能有效耗散地震能量，从而减小地震反应。

现有技术的抗震模拟装置都是模拟单一方向上周期摆动的模拟装置，有的号称可以模拟横波和纵波的装置实际就是将一维振动叠加后，模拟二维的振动；

但是在实际地震的情况下，地面的振动形式类似水波，对于大型建筑物来说，地面的形状变化是不可忽略的，目前市面上还没有能够模拟出地面形变的模拟装置；虽然现在的数字技术很发达，可以在软件中模拟，但是软件毕竟是软件，在软件模拟成功后还是需要进行模型抗震实验，在这一环节，目前还需要填补空白。

发明内容

针对上述内容，为解决上述问题，本发明提供一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置及分析方法，使用弹性的模拟地面，对地形进行模拟，进一步配合配重块实现所需振动的模拟，可以同时模拟横波、纵波的振动，在震动时观察地形的变化是否符合预期，提高了模拟的精准度，适合复杂情况下的真实模拟。

一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置，包括分析主机、施震模块和地形模拟模块；其中：

地形模拟模块包括框架11、加固包围12、模拟地面13、配重块和振动检测器14；其中框架11顶部以及四壁的外部均安装加固包围12；框架11的四壁内表面设置有多个第一挂钩，第一挂钩密布整个内壁；模拟地面13为弹性板，四周设置有多个第二挂钩，模拟地面13通过第二挂钩连接在框架11内的第一挂钩上；

框架11底部内表面设置有多个振动检测器14，振动检测器14将检测的振动数据发送给分析主机；

施震模块包括L形架21、锤座23、板簧24和击锤22；其中锤座23固定安装到L型架21上，板簧24的一端固定在锤座23上，板簧24的另一端固定有击锤22；击锤22的另一侧安装有拉环，拉环与拉簧连接。

所述模拟地面13由多片正八边形的板块15拼接而成，其中板块15之间的使用弹簧16连接，且板块15之间能够发生垂直和水平的相对位移。

所述板块15底面粘贴不同重量的配重块。

所述的振动检测器14为距离检测器，每一个振动检测器14位于对应的一个板块15底面下方。

一种使用模拟装置进行建筑物抗震性能分析的方法，包括如下步骤：

步骤一、地形模拟；

根据需要的尺寸选择合适的板块15，再将板块15之间互相连接，然后根据所需模拟的地形，将模拟地面13外侧的第二挂钩挂接到框架11内的第一挂钩上，实现对所需地形和坡度的模拟；

步骤二、配重安装；

根据需要测试的建筑物的形状和重心制作在振动中不会被破坏的刚性模型；并在模拟地面13上设置引发振动的中心，并在板块15底部安装配重块，安装好以后，将刚性模型安装到模拟地面13上，并将连接处固定好；

根据所需模拟的振动形式，选择合适的横波和纵波比例，以及横波和纵波的时间差，使用击锤22在加固包围12的外侧进行击打，从而引发内部模拟地面13振动；振动时使用振动检测器14检测，并在分析主机的屏幕上观察是否满足测试需要；如果满足直接进行步骤三，如果不满足，则调整配重块的位置和重量，重新测试，直到满足测试需要为止；

步骤三、模拟地震；

根据需要测试的建筑物的形状和重心制作测试模型，测试模型用于模拟建筑物以测定建筑物结构的抗震性能；将测试模型取代刚性模型固定到模拟地面13上；

然后根据所需模拟的振动形式，选择合适的横波和纵波比例，以及横波和纵波的时间差，使用击锤22在加固包围12的外侧进行击打，从而引发内部模拟地面13振动；振动时使用振动检测器14检测，并在分析主机的屏幕上观察是否满足测试需要；

如果满足需要，则完成测试，然后收集测试模型振动后的结构性能参数，以检测其是否合格；如果不满足则说明步骤二有误，重新执行步骤二。

本发明的有益效果为：

本发明摒弃现有技术中使用周期性的位移结构带动整体装置振动的方案，使用弹性的模拟地面，对地形进行模拟，进一步配合配重块实现所需振动的模拟，可以同时模拟横波、纵波的振动，在震动时观察地形的变化是否符合预期，提高了模拟的精准度，适合复杂情况下的真实模拟；使用实力装置敲击实现振动，振动带动弹性材料，振动更加真实，且可以连续敲击，比市面上任何振动模拟装置都更加真实；本装置成本低廉，适合推广使用，施加的振动可以通过施震模块调节，适合实验室和设计院使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明模拟模块的侧视示意图；

图2为本发明模拟模块的俯视示意图；

图3为本发明模拟地面的连接示意图；

图4为本发明的施震模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例1：

如图1-图4所示，一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置，包括分析主机、施震模块和地形模拟模块；其中：

地形模拟模块包括框架11、加固包围12、模拟地面13、配重块和振动检测器14；其中框架11为笼式框架，框架11顶部、底部以及四壁的外部均安装加固包围12，用于为施震模块的击锤22提供击点，保护框架11，防止框架11被击锤22击破；框架11的四壁内表面设置有多个第一挂钩，第一挂钩密布整个内壁；模拟地面13为弹性板，四周设置有多个第二挂钩，模拟地面13通过第二挂钩连接在框架11内的第一挂钩上，第二挂钩用于挂接在第一挂钩上，从而使得当按照需要将第二挂钩挂接好第一挂钩后，模拟地面13可以根据需要形成不同的形状和坡度以模拟真实的地形；

框架11底部内表面设置有多个振动检测器14，振动检测器14用于检测模拟地面13的下表面的不同位置的垂直位移情况，从而判断模拟地面13的整个振动情况；振动检测器14将检测的振动数据发送给分析主机；

施震模块包括L形架21、锤座23、板簧24和击锤22；锤座23固定安装到L型架21上，板簧24的一端固定在锤座23上，板簧24的另一端固定有击锤22；击锤22的另一侧安装有拉环，拉环与拉簧连接，拉簧将击锤22拉离开平衡位置，使得板簧24积蓄势能；当拉簧放开时，击锤22可以朝向外侧击出。

所述模拟地面13由多片正八边形的板块15拼接而成，其中板块15之间的使用弹簧16连接，从而使得整个模拟地面13具有弹性，且板块15之间能够发生垂直和水平的相对位移。实现对地面的模拟。

所述板块15底面粘贴不同重量的配重块，从而实现不同板块15的重量不同，以使得施震模块施加振动后模拟地面13的振动模式改变。

所述的振动检测器14为距离检测器，每一个振动检测器14位于对应的一个板块15底面下方，当振动时，每个板块15的上下移动实现距离变化，距离变化被振动检测器14检测并收集，发送给分析主机；分析主机内部在3D模型中根据距离的变化显示模拟地面13的振动情况。

L型架21的两个面都可以作为与地面接触的支撑面，从而使得击锤22可以垂直击出和水平击出。

框架11与外界固定连接，击锤22击中加固包围12后，框架11整体不发生位移，能量由内部的模拟地面13吸收，并因此产生振动。

施震模块使用击锤22击打加固包围12的不同位置，从而使得其内部的模拟地面13发生振动，以对复杂环境下的震动进行模拟；

一种使用模拟装置进行建筑物抗震性能分析的方法，包括如下步骤：

步骤一、地形模拟；

根据需要的尺寸选择合适的板块15，再将板块15之间互相连接，然后根据所需模拟的地形，将模拟地面13外侧的第二挂钩挂接到框架11内的第一挂钩上，实现对所需地形和坡度的模拟；

步骤二、配重安装；

根据需要测试的建筑物的形状和重心制作在振动中不会被破坏的刚性模型；并在模拟地面13上设置引发振动的中心，并在板块15底部安装配重块，安装好以后，将刚性模型安装到模拟地面13上，并将连接处固定好；

根据所需模拟的振动形式，选择合适的横波和纵波比例，以及横波和纵波的时间差，使用击锤22在加固包围12的外侧进行击打，从而引发内部模拟地面13振动；振动时使用振动检测器14检测，并在分析主机的屏幕上观察是否满足测试需要；如果满足直接进行步骤三，如果不满足，则调整配重块的位置和重量，重新测试，直到满足测试需要为止；

步骤三、模拟地震；

根据需要测试的建筑物的形状和重心制作测试模型，测试模型用于模拟建筑物以测定建筑物结构的抗震性能；将测试模型取代刚性模型固定到模拟地面13上，固定好连接处；

然后根据所需模拟的振动形式，选择合适的横波和纵波比例，以及横波和纵波的时间差，使用击锤22在加固包围12的外侧进行击打，从而引发内部模拟地面13振动；振动时使用振动检测器14检测，并在分析主机的屏幕上观察是否满足测试需要；

如果满足需要，则完成测试，然后收集测试模型振动后的结构性能参数，以检测其是否合格；如果不满足则说明步骤二有误，重新执行步骤二。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (3)

1.一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置，其特征在于包括分析主机、施震模块和地形模拟模块；其中：

地形模拟模块包括框架（11）、加固包围（12）、模拟地面（13）、配重块和振动检测器（14）；其中框架（11）顶部以及四壁的外部均安装加固包围（12），框架（11）的四壁内表面设置有多个第一挂钩，第一挂钩密布整个内壁；模拟地面（13）为弹性板，四周设置有多个第二挂钩，模拟地面（13）通过第二挂钩连接在框架（11）内的第一挂钩上；

框架（11）底部内表面设置有多个振动检测器（14），振动检测器（14）将检测的振动数据发送给分析主机；

施震模块包括L形架（21）、锤座（23）、板簧（24）和击锤（22）；其中锤座（23）固定安装到L型架（21）上，板簧（24）的一端固定在锤座（23）上，板簧（24）的另一端固定有击锤（22）；击锤（22）的另一侧安装有拉环，拉环与拉簧连接；

所述模拟地面（13）由多片正八边形的板块（15）拼接而成，其中板块（15）之间使用弹簧（16）连接，且板块（15）之间能够发生垂直和水平的相对位移；

所述板块（15）底面粘贴不同重量的配重块。

2.根据权利要求1所述的一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置，其特征在于所述的振动检测器（14）为距离检测器，每一个振动检测器（14）位于对应的一个板块（15）底面下方。

3.一种采用权利要求1或2任意一项所述的一种复杂环境下建筑物抗震性能的模拟装置进行建筑物抗震性能分析的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、地形模拟；

根据需要的尺寸选择合适的板块（15），再将板块（15）之间互相连接，然后根据所需模拟的地形，将模拟地面（13）外侧的第二挂钩挂接到框架（11）内的第一挂钩上，实现对所需地形和坡度的模拟；

步骤二、配重安装；

根据需要测试的建筑物的形状和重心制作在振动中不会被破坏的刚性模型；并在模拟地面（13）上设置引发振动的中心，并在板块（15）底部安装配重块，安装好以后，将刚性模型安装到模拟地面（13）上，并将连接处固定好；

根据所需模拟的振动形式，选择合适的横波和纵波比例，以及横波和纵波的时间差，使用击锤（22）在加固包围（12）的外侧进行击打，从而引发内部模拟地面（13）振动；振动时使用振动检测器（14）检测，并在分析主机的屏幕上观察是否满足测试需要；如果满足直接进行步骤三，如果不满足，则调整配重块的位置和重量，重新测试，直到满足测试需要为止；

步骤三、模拟地震；

根据需要测试的建筑物的形状和重心制作测试模型，测试模型用于模拟建筑物以测定建筑物结构的抗震性能；将测试模型取代刚性模型固定到模拟地面（13）上；

然后根据所需模拟的振动形式，选择合适的横波和纵波比例，以及横波和纵波的时间差，使用击锤（22）在加固包围（12）的外侧进行击打，从而引发内部模拟地面（13）振动；振动时使用振动检测器（14）检测，并在分析主机的屏幕上观察是否满足测试需要；

如果满足需要，则完成测试，然后收集测试模型振动后的结构性能参数，以检测其是否合格；如果不满足则说明步骤二有误，重新执行步骤二。

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