CN113720562A - 一种振动台试验剪切模型箱 - Google Patents

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CN113720562A CN202111008884.1A CN202111008884A CN113720562A CN 113720562 A CN113720562 A CN 113720562A CN 202111008884 A CN202111008884 A CN 202111008884A CN 113720562 A CN113720562 A CN 113720562A
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郑人逢
陆岸典
牛志伟
耿爽
李同春
邱云飞
张铸
李旭辉
周耀强
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Hohai University HHU
GDH Pearl River Water Supply Co Ltd
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Hohai University HHU
GDH Pearl River Water Supply Co Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
    • G01M7/06—Multidirectional test stands

Abstract

本发明公开了一种振动台试验剪切模型箱，包括底架、围框架、双向滚动装置、复位装置和刚度调节装置；所述围框架沿垂直水平面方向分层设置于底架上；所述双向滚动装置包括位于相邻围框架间的层间滚动装置和框外滚动装置，围框架结合双向滚动装置，使得围框架层间以及框外表面均实现自由滚动；复位装置错层设计，使沿高度向上方向的刚度递减；刚度调节装置通过点接触以及限制围框架层与层之间的竖向“分离”，确保了模型箱双向协调运动，优化了刚度，解决了当前装置未能实现真正意义上的双向协调运动，不能高质量确保整体稳定协调的问题。

Description

一种振动台试验剪切模型箱
技术领域
本发明涉及一种振动台试验剪切模型箱，属于振动台试验技术领域。
背景技术
近年来，随着人类对地下结构震害研究不断深入，尤其是日本阪神地震后，人们开始关注地下结构的抗震性能问题。我国是一个多地震国家，70%的城市处于地震区，随着城市不断向地下发展，其中生命线工程、地下建筑物等工程结构抗震研究，均涉及土-结构动力相互作用问题。
模型箱是开展地下结构振动台试验研究的重要装置，国内外学者在各自的研究中采用了不同类型的模型箱，由于层状剪切模型箱在消除边界效应和满足土体的水平层状变形方面具有较好的特性，因而在地下结构振动台试验中常被采用，考虑到地震方向的不确定性，规范根据场地烈度以及建筑物重要性等，地震激励包括单向激励和多向激励，因此就要求模型箱既能满足单向振动，同时也能很好解决双向振动需求，当前现有的双向剪切模型箱未能实现真正意义上的双向协调运动，具有一定的局限性，且整个箱体的搭建通常依据经验来指导，具有一定的盲目性和随机性，在不能高质量保证整体稳定协调的条件下，试验数据就会出现偏差。
因此，需要设计一种振动台试验剪切模型箱。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种振动台试验剪切模型箱。
为达到上述目的/为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：一种振动台试验剪切模型箱，包括底架、围框架、双向滚动装置、复位装置和刚度调节装置；所述围框架沿垂直水平面方向分层设置于底架上；所述双向滚动装置包括位于相邻围框架间的层间滚动装置和框外滚动装置；所述复位装置围绕围框架的四周布设，且沿垂直水平面方向分层设置于底架上；所述刚度调节装置包括支架、拉杆和压块，所述支架通过转动连接座安装于底架上，所述压块通过万向轴承与拉杆连接。
优选的，所述层间滚动装置包括开设于围框架上的孔口和安装于孔口中的嵌入式万向球A。
优选的，所述孔口多个开设，且位于围框架同一条边上孔口间距相同。
优选的，所述框外滚动装置包括位于复位装置与围框架相对一侧的滚珠或嵌入式万向球B。
优选的，所述复位装置在模型箱四周每个面上不少于两个设置，所述复位装置包括两个相对的弹簧钢板，所述弹簧钢板的底部与位于底层所述围框架通过螺栓固连，所述弹簧钢板从底层至顶层，厚度层数递减。
优选的，所述复位装置中每层弹簧钢板厚度
Figure 318551DEST_PATH_IMAGE001
满足公式：
Figure 516314DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 454183DEST_PATH_IMAGE003
代表模型箱中土体及地下结构总质量；
Figure 421002DEST_PATH_IMAGE004
代表单层围框架质量；
Figure 740119DEST_PATH_IMAGE005
代表围框架层数；
Figure 284233DEST_PATH_IMAGE001
代表每层弹簧钢板厚度；
Figure 635580DEST_PATH_IMAGE006
代表弹簧钢板层数；
Figure 329342DEST_PATH_IMAGE007
代表弹簧钢板宽度；
Figure 740731DEST_PATH_IMAGE008
代表弹簧钢板应力限值，
Figure 37721DEST_PATH_IMAGE009
；引入设备抗震中应力允许值规定，
Figure 5808DEST_PATH_IMAGE010
代表弹簧钢板材料屈服极限，
Figure 947219DEST_PATH_IMAGE011
代表弹簧钢板材料强度极限，
Figure 654144DEST_PATH_IMAGE012
代表最大加速度；所述复位装置中每层弹簧钢板高度
Figure 313795DEST_PATH_IMAGE013
满足如下条件：
Figure 882311DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 412649DEST_PATH_IMAGE015
代表单层所述围框架高度；
Figure 493738DEST_PATH_IMAGE016
代表相邻所述围框架之间间隔距离。
优选的，所述支架呈工字型设置，支架包括薄钢板A和两个薄钢板B，薄钢板A平行于复位装置，两个所述薄钢板B均垂直于薄钢板A，且薄钢板B与薄钢板A固接，所述拉杆通过球铰与薄钢板A连接。
优选的，所述薄钢板B与复位装置相对的一侧开设有阶梯槽，所述阶梯槽中设置有圆弧凸起，所述圆弧凸起与复位装置接触。
优选的，所述压块的底部设有滚珠，所述滚珠与顶层所述围框架滑动接触。
优选的，所述围框架中还包括边界吸波装置，所述边界吸波装置位于围框架的内侧设置，且边界吸波装置包括防护层和消波层。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、通过设置围框架、双向滚动装置、复位装置和刚度调节装置，围框架结合双向滚动装置，使得围框架层间以及框外表面均实现自由滚动，复位装置错层设计，使沿高度向上方向的刚度递减，刚度调节装置通过点接触以及限制围框架层与层之间的竖向“分离”，确保了模型箱双向协调运动，优化了刚度，解决了当前装置未能实现真正意义上的双向协调运动，不能高质量确保整体稳定协调的问题。
2、通过在设计搭建复位装置的过程中引入相关的公式，以定量化设计指导方案，避免了盲目性和随机性，对整个装置的协调和稳定具有积极意义，解决了当前装置的搭建通常依据经验来指导的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种振动台试验剪切模型箱的三维结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种振动台试验剪切模型箱的正视结构示意图（长轴方向）；
图3是本发明实施例提供的一种振动台试验剪切模型箱的侧视图（短轴方向）；
图4是本发明实施例提供的一种振动台试验剪切模型箱中双向滚动装置及复位装置的示意图（示出围框架、双向滚动装置以及复位装置）；
图5是本发明实施例提供的一种振动台试验剪切模型箱的层间滚动装置在围框架上的位置示意图（示出围框架和层间滚动装置）；
图6是本发明实施例提供的一种振动台试验剪切模型箱中嵌入式万向球A的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种振动台试验剪切模型箱中刚度调节装置的部分结构示意图（示出拉杆、压块和薄钢板A）;
图8是本发明实施例提供的一种振动台试验剪切模型箱中底架的结构示意图。
图中：1、底架；2、围框架；3、复位装置；301、弹簧钢板；4、刚度调节装置；410、支架；411、转动连接座；412、薄钢板A；413、薄钢板B；420、拉杆；430、压块；5、层间滚动装置；501、孔口；502、嵌入式万向球A；6、框外滚动装置；7、圆弧凸起；8、边界吸波装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至4所示，一种振动台试验剪切模型箱，包括底架1、围框架2、双向滚动装置、复位装置3和刚度调节装置4；底架1通过螺栓与振动台台面连接固定，围框架2沿垂直水平面方向分层设置于底架1上；双向滚动装置包括位于相邻围框架2间的层间滚动装置5和框外滚动装置6；复位装置3围绕围框架2的四周布设，且沿垂直水平面方向分层设置于底架1上，复位装置3在模型箱四周每个面上不少于两个设置，本实施例在模型箱四周每个面上设置两个复位装置3，复位装置3包括两个相对的弹簧钢板301，弹簧钢板301的底部与位于底层围框架2通过螺栓固连，其他位置确保复位装置3与围框架2之间无约束，弹簧钢板301从底层至顶层，厚度层数递减；框外滚动装置6包括位于复位装置3与围框架2相对一侧的滚珠或嵌入式万向球B，需确保滚珠或嵌入式万向球B与内层弹簧钢板301有效连接，不能相互脱离，具体的，在弹簧钢板301与围框架2相对的一侧开孔，由于弹簧钢板301竖直设置，直接将嵌入式万向球B放入孔中易脱落，采用电焊的方式将嵌入式万向球B固定在开好的孔中，同时滚珠或嵌入式万向球B所处高度要与对应围框架2中心线高程保持一致；复位装置3沿模型箱长边方向尽量靠近三等分处布置，沿短边方向在模型箱整体性确保情况下尽量远离中心线，目的在于更加便于研究存在地上结构情况下的模型振动台试验；刚度调节装置4包括支架410、拉杆420和压块430，支架410通过转动连接座411安装于底架1上，支架410仅能在弹簧钢板301厚度的方向上自由转动，支架410呈工字型设置，支架410包括薄钢板A412和两个薄钢板B413，薄钢板A412平行于复位装置3，两个薄钢板B413均垂直于薄钢板A412，且薄钢板B413与薄钢板A412固接，拉杆420通过球铰与薄钢板A412连接，薄钢板B413与复位装置3相对的一侧开设有阶梯槽，阶梯槽中设置有圆弧凸起7，圆弧凸起7与错层布置的弹簧钢板301之间实现点接触，此设计既能保证模型箱整体协调运动，同时也能够优化刚度，防止模型箱中间刚度较弱处出现“鼓包”现象；压块430通过万向轴承与拉杆420连接，压块430的底部设有滚珠，滚珠与顶层围框架2滑动接触，优化围框架2竖向约束，限制围框架2层与层之间竖向“分离”。
如图8所示，底架1由型钢框架与顶部钢板组成，其中型钢可以选择槽钢、工字钢、方管钢等，需要保证型钢框架具有足够的面内刚度，通常设计成网格状结构，型钢之间通过焊接固定，顶部钢板与型钢框架之间可采用螺栓连接或焊接，目的主要为了增加转接底架1刚度，便于后期模型箱装满土体后整体吊装，底架1承载力需根据上部总重量确定，可采用有限元法计算验证，可大大提高试验效率，减少台面占用时间。
考虑到剪切模型箱的设计与振动台性能指标（主要是台面尺寸、载重量、倾覆力矩等）密切相关，实例中围框架2材料选用型号为120*100*3矩形钢管（100mm长度边确定为高度方向），根据试验研究需求，围框架2共设计20层，其中围框架2平面尺寸2750*4750。
如图1、图4和图5所示，层间滚动装置5包括开设于围框架2上的孔口501和安装于孔口501中的嵌入式万向球A502，具体的，多个孔口501按照一定的间距开设，且位于围框架2同一条边上的孔口501间距相同，孔口501具体的数量和间距依据嵌入式万向球A502的数量而定，嵌入式万向球A502的顶部为凸台设置，底部为圆柱设置，凸台直径大于圆柱直径，嵌入式万向球B的外形与嵌入式万向球A502的外形相同，嵌入式万向球A502型号、数量需要依据围框架2所处高程、钢管型号、平面尺寸，最终通过承载力和变形核算确定，从底部到顶部，选用的嵌入式万向球承载力由大变小，本实例中围框架2采用的矩形钢管型号为120*100*3，经查询其每米重量为10.08kg/m，单层围框架2总长度为14.52m，因此单层围框架2重量约为146kg，考虑到围框架2四个边要均匀受力，孔口501不宜开具过大，因此初步确定短边布置4个嵌入式万向球A502，长边布置6个嵌入式万向球A502，单层布置共计20个嵌入式万向球A502，由于本实例围框架2共计20层，因此底部围框架2上部共有19榀，为了确保整体稳定性，底层围框架2与底架1之间通过焊接固定，围框架2重量共计约2774kg，因此单个嵌入式万向球A502负重约138.7kg，可选择额定承载力150kg型号的嵌入式万向球A502，向上各层嵌入式万向球A502负重逐渐递减，每层嵌入式万向球A502型号确定方法有两种：同型号，数量逐层递减方式；不同型号，每层布置数量相同，每层型号根据该层以上负载计算确定，布置方式要确保每边上按照等间距布置嵌入式万向球A502。
结合本实施例，确定每层弹簧钢板301的厚度以及高度，复位装置3中每层弹簧钢板301厚度
Figure 250472DEST_PATH_IMAGE001
满足公式：
Figure 606367DEST_PATH_IMAGE017
其中
Figure 256792DEST_PATH_IMAGE003
代表模型箱中土体及地下结构总质量；
Figure 781883DEST_PATH_IMAGE004
代表单层围框架2质量；
Figure 150548DEST_PATH_IMAGE005
代表围框架2层数；
Figure 513396DEST_PATH_IMAGE001
代表每层弹簧钢板301厚度；
Figure 159272DEST_PATH_IMAGE006
代表弹簧钢板301层数；
Figure 988688DEST_PATH_IMAGE007
代表弹簧钢板301宽度；
Figure 234861DEST_PATH_IMAGE008
代表弹簧钢板301应力限值，
Figure 73504DEST_PATH_IMAGE009
；引入设备抗震中应力允许值规定，
Figure 308308DEST_PATH_IMAGE010
代表弹簧钢板301材料屈服极限，
Figure 574204DEST_PATH_IMAGE011
代表弹簧钢板301材料强度极限，
Figure 776515DEST_PATH_IMAGE012
代表最大加速度。假设模型箱中土体、地下结构以及围框架2总重量20000kg（由振动台载重量限制），弹簧钢板301宽度根据规格查询为200mm，加速度幅值假设为1.5g，经计算底部总剪力为200KN，因此每层弹簧钢板301承受剪力约为25KN，最终计算出弹簧钢板301厚度
Figure 497478DEST_PATH_IMAGE001
≥0.75mm，经查询GB/T 1222-2007弹簧钢规范（p4页表2），选择65牌号的弹簧钢，弹簧钢板301厚度最终选择1mm；复位装置3中每层弹簧钢板301高度
Figure 977000DEST_PATH_IMAGE013
满足如下条件：
Figure 538432DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 103405DEST_PATH_IMAGE015
代表单层围框架2高度；
Figure 156287DEST_PATH_IMAGE016
代表相邻围框架2之间间隔距离，即层间滚动装置5的高度，因此靠近围框架2侧的弹簧钢板301高度与顶部围框架2上表面平齐，其它层高度可以根据上述公式进行核算，根据嵌入式万向球规格A，可以确定
Figure 755896DEST_PATH_IMAGE016
=10mm，因此从外至内弹簧钢板301高度分别为
Figure 488229DEST_PATH_IMAGE018
730mm；
Figure 540498DEST_PATH_IMAGE019
1217mm；
Figure 134422DEST_PATH_IMAGE020
1541mm；
Figure 916433DEST_PATH_IMAGE021
2190mm。
围框架2中还包括边界吸波装置8，边界吸波装置8位于围框架2的内侧设置，本实施例中可将吸波装置8粘接在围框架2的内侧，边界吸波装置8包括防护层和消波层，防护层与围框架2接触，防护层选用橡胶材料用于预防土体水渗漏，消波层选用珍珠棉材料，吸收边界地震波，阻止传播至边界的地震波发生反射。
当振动台台面沿水平单向或水平单向叠加垂直向激励时，振动台台面的振动通过底架1传至围框架2，围框架2通过层间滚动装置5实现剪切运动，为了确保剪切运动符合实际情况，围框架2在做层间剪切运动时：一方面会受到与围框架2外接触的复位装置3限制，由于复位装置3采用错层布置，刚度上小下大，近似线性变化，很好的模拟了现实土体剪切运动状态；另一方面受到刚度调节装置4约束，限制垂向自由度，同时通过铰接等连接措施保证运动方向不受影响并确保整体结构稳定性；
当振动台面沿水平双向或水平双向叠加垂直向激励时，振动台台面的振动通过底架1传至围框架2，为了确保模型箱剪切运动符合实际情况：一方面围框架2通过层间滚动装置5、框外滚动装置6实现围框架2面内剪切运动，此平面运动受到复位装置3限制，由于复位装置3采用错层布置，刚度上小下大，近似线性变化，很好的模拟了现实土体剪切运动状态，与此同时框外滚动装置6与围框架2之间只存在滚动接触，因此确保围框架2能完成面内双向水平剪切运动；另一方面，围框架2在做面内双向运动时，会受到刚度调节装置4约束，限制垂向自由度，同时刚度调节装置4中的压块430与顶部围框架2之间是通过滚珠接触，因此可以确保平面内运动不受限制，最后再通过铰接等连接措施在保证运动方向不受影响的同时确保整体结构稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，包括底架、围框架、双向滚动装置、复位装置和刚度调节装置；
所述围框架沿垂直水平面方向分层设置于底架上；
所述双向滚动装置包括位于相邻围框架间的层间滚动装置和框外滚动装置；
所述复位装置围绕围框架的四周布设，且沿垂直水平面方向分层设置于底架上；
所述刚度调节装置包括支架、拉杆和压块，所述支架通过转动连接座安装于底架上，所述压块通过万向轴承与拉杆连接。
2.根据权利要求1所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述层间滚动装置包括开设于围框架上的孔口和安装于孔口中的嵌入式万向球A。
3.根据权利要求2所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述孔口多个开设，且位于围框架同一条边上孔口间距相同。
4.根据权利要求1所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述框外滚动装置包括位于复位装置与围框架相对一侧的滚珠或嵌入式万向球B。
5.根据权利要求1所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述复位装置在模型箱四周每个面上不少于两个设置，所述复位装置包括两个相对的弹簧钢板，所述弹簧钢板的底部与位于底层所述围框架通过螺栓固连，所述弹簧钢板从底层至顶层，厚度层数递减。
6.根据权利要求5所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述复位装置中每层弹簧钢板厚度
Figure 670590DEST_PATH_IMAGE001
满足公式：
Figure 181205DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 429784DEST_PATH_IMAGE003
代表模型箱中土体及地下结构总质量；
Figure 372463DEST_PATH_IMAGE004
代表单层围框架质量；
Figure 780311DEST_PATH_IMAGE005
代表围框架层数；
Figure 71615DEST_PATH_IMAGE001
代表每层弹簧钢板厚度；
Figure 682856DEST_PATH_IMAGE006
代表弹簧钢板层数；
Figure 350598DEST_PATH_IMAGE007
代表弹簧钢板宽度；
Figure 878531DEST_PATH_IMAGE008
代表弹簧钢板应力限值，
Figure 340737DEST_PATH_IMAGE009
；引入设备抗震中应力允许值规定，
Figure 436344DEST_PATH_IMAGE010
代表弹簧钢板材料屈服极限，
Figure 642197DEST_PATH_IMAGE011
代表弹簧钢板材料强度极限，
Figure 759058DEST_PATH_IMAGE012
代表最大加速度；所述复位装置中每层弹簧钢板高度
Figure 736372DEST_PATH_IMAGE013
满足如下条件：
Figure 446839DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 581017DEST_PATH_IMAGE015
代表单层所述围框架高度；
Figure 693330DEST_PATH_IMAGE016
代表相邻所述围框架之间间隔距离。
7.根据权利要求1所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述支架呈工字型设置，支架包括薄钢板A和两个薄钢板B，薄钢板A平行于复位装置，两个所述薄钢板B均垂直于薄钢板A，且薄钢板B与薄钢板A固接，所述拉杆通过球铰与薄钢板A连接。
8.根据权利要求7所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述薄钢板B与复位装置相对的一侧开设有阶梯槽，所述阶梯槽中设置有圆弧凸起，所述圆弧凸起与复位装置接触。
9.根据权利要求1所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述压块的底部设有滚珠，所述滚珠与顶层所述围框架滑动接触。
10.根据权利要求1所述的一种振动台试验剪切模型箱，其特征是，所述围框架中还包括边界吸波装置，所述边界吸波装置位于围框架的内侧设置，且边界吸波装置包括防护层和消波层。
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