CN113804382A - 一种能够实现三向变形的地基模型箱装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，包括外箱，外箱为具有底板、具有侧壁板、没有顶板的箱体，外箱中设置有内箱，内箱包括在竖直方向上等距设置的多层内框架，上下相邻的两层内框架之间设置有万向轮弹性滚珠组件连接，万向轮弹性滚珠组件用于由下向上传递振动。本发明解决了现有振动台试验中模拟地基土的三向变形问题，该模型箱可以减少边界条件的干扰，使模型地基重现原型地基在地震作用下的各向变形，以便可以更好的探讨上部结构的响应，进而判定出上部结构在地震作用下的破坏机理，让试验的可靠度得以提升。
Description
技术领域
本发明属于土木工程试验技术领域，涉及一种能够实现三向变形的地基模型箱装置。
背景技术
我国是一个地震多发的国家，强烈地震造成了建筑物严重破坏，给经济发展、人类生存安全、社会稳定带来严重的危害。进行工程结构抗震研究，明确地震作用于建筑物或构筑物上后的破坏机理，是进行建筑防震减灾的基础工作之一。模拟地震作用的振动台试验是研究建(构)筑物破坏机理与模式的科学途径之一，进行结构振动台试验时，考虑地基与结构的相互作用并于模型试件底部设置合理的地基模型是获得可靠结果的基础保证。因地震波的作用方向具有随机性，进行建筑结构模型振动台试验需要同时考虑三个方向的作用，设计能够满足三向变形要求的地基模型箱，以模拟土层的水平剪切变形与竖向变形，是科学进行建(构)筑物模型振动台试验的重要前提之一。
目前在振动台试验中，地基模型箱的设计制作主要有刚性边界箱、粘弹性边界箱、分层抽屉盒式箱、分层悬挂式模型箱等，用以模拟地震过程中土体的水平向剪切变形及边界辐射效应，反映土层对地震能量的吸收耗散与传播机制。地基模型箱在模拟地震作用下土层剪切变形时，一般采用箱体外壁分层方式，当受到水平向地震波作用时，单层箱体及内部土层同时发生一致的水平向变形，而各层之间能够发生相对剪切变形，以实现模拟地基土层在地震作用下的变形。地基模型仅能模拟单向或双向地震波，即在平面假定的基础上分析结构的地震响应，没有考虑地基在复杂地震作用下的空间效应。另外有一些振动台试验的层状剪切模型箱装置，虽然能够在相互垂直的两个方向上进行地震激励,但该模型箱在输入另一方向的地震动时，必须重新安装滑槽内滚珠,操作过程较为繁琐费力，而且滚珠在超负荷内框架压力下磨损严重，模型箱整体剪切变形难以达到理想状态，滚珠系统能否正常工作将直接决定模型箱设备能否重复利用,进而造成不必要的人力、物力的浪费。此外，还有些模型箱在装置中加入滚动体系统，虽然较好的反应地基土的变形，但装置复杂，带来了设计安装的不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，减少了边界条件的干扰，能够重现原型地基在地震作用下的各向变形。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，包括外箱，外箱为具有底板、具有侧壁板、没有顶板的箱体，外箱中设置有内箱，内箱包括在竖直方向上等距设置的多层内框架，上下相邻的两层内框架之间设置有万向轮弹性滚珠组件连接，万向轮弹性滚珠组件用于由下向上传递振动。
本发明的特点还在于，
内框架为方形内框架，内框架的下表面四角处均设置有支座，支座为固定在内框架下表面的方形板，方形板的两相邻直角边与内框架外框的两相邻直角边重叠，方形板的另外两直角边位置对应内框架的中空部分。
万向轮弹性滚珠组件包括竖直设置于上下相邻两支座之间的滚珠螺杆，滚珠螺杆的螺杆杆体顶端与位于其上方支座固定连接，螺杆杆体底部内置有压缩弹簧，压缩弹簧一端与和螺杆杆体固定连接，另一端连接有万向轮，万向轮位于滚珠螺杆下方的支座上。
一水平面内内框架外边缘与外箱的侧壁板内壁之间的距离为a，方形板的边长为b，a:b＝1:2。
外箱的底板设置有底梁。
内框架表面设置有橡胶阻尼材料层，橡胶阻尼材料层上包裹有橡皮内膜。
本发明的有益效果是：
本发明一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，结构简单，操作简便；解决了现有振动台试验中模拟地基土的三向变形问题，该模型箱可以减少边界条件的干扰，使模型地基重现原型地基在地震作用下的各向变形；通过箱壁分层后与土层共同运动，发生水平层间滑动剪切变形；通过层间的弹性支座变形模拟土体的竖向运动；同时，设置外层保护装置，防止变形过大导致模型失效；准确模拟地震作用下地基的变形特征，且地基模型上可安装放置其它结构模型，实现地基与结构相互作用体系的振动台模拟试验，对土木工程结构抗震试验研究具有重要的实用价值。
附图说明
图1为本发明一种能够实现三向变形的地基模型箱装置的主视图；
图2为本发明一种能够实现三向变形的地基模型箱装置的俯视图；
图3为本发明一种能够实现三向变形的地基模型箱装置中内箱的主视图；
图4为本发明一种能够实现三向变形的地基模型箱装置中万向轮弹性滚珠组件的局部示意图。
图中，1.侧壁板，2.底梁，3.底板，4.支座，5.内框架，6.滚珠螺杆，7.压缩弹簧，8.万向轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，如图1-2所示，包括外箱，外箱为具有底板3、具有侧壁板1、没有顶板的箱体，外箱的底板3设置有底梁2，用于保证结构的稳定性，底板3用于与振动台连接，外箱侧壁板1由多块钢板通过工字钢或槽钢焊接而成，外箱底板3也为钢板，底板3与侧壁板1焊接为一个整体，外箱中设置有内箱，如图3所示，内箱包括在竖直方向上等距设置的多层内框架5，上下相邻的两层内框架5之间设置有万向轮弹性滚珠组件连接，万向轮弹性滚珠组件用于将振动台的激励从下依次向上传递到各层土体，即由下向上传递振动。
同一水平面内内框架5外边缘与外箱的侧壁板1内壁之间的距离为a，方形板的边长为b，a:b＝1:2，保证了试验时地基土体的双向剪切变形可发生足够的位移，并且，外箱在试验中可以起到限制内箱各层内框架5位移的作用，同时也方便该装置的运输和吊装。
内框架5为方形内框架，方形内框架由槽钢焊接而成，内框架5的下表面四角处均设置有支座4，支座4为焊接在内框架5下表面的方形板，方形板的两相邻直角边与内框架5外框的两相邻直角边重叠，方形板的另外两直角边位置对应内框架5的中空部分，内框架5表面设置有橡胶阻尼材料层，橡胶阻尼材料层上包裹有橡皮内膜。
如图4所示，万向轮弹性滚珠组件包括竖直设置于上下相邻两支座4之间的滚珠螺杆6，滚珠螺杆6的螺杆杆体顶端与位于其上方支座固定连接，螺杆杆体底部内置有压缩弹簧7，压缩弹簧7一端与和螺杆杆体固定连接，另一端连接有万向轮8，万向轮8位于滚珠螺杆6下方的支座4上，支座4边沿向上卷起对万向轮8进行限位。万向轮弹性滚珠组件将内箱各层内框架联系在一起，反应地基土体的各向变形；因万向轮8可以任意方向转动，这就在试验中保证了地基土的双向剪切变形；加之滚珠螺杆6的螺杆杆体底部内置有一定长度的压缩弹簧7，这就方便试验中测得地基土体的竖向压缩变形，从而考虑了地基在复杂地震作用下的空间效应。
本发明一种能够实现三向变形的地基模型箱装置的使用过程具体如下：
将本发明的模型箱装置外箱通过螺栓连接固定置于振动台台面上，在外箱的底板3内平铺原天然地基土体，然后将内箱置于原天然地基土体上，并使内箱与外箱之间保留间距，而后根据模拟条件在内箱装设土体，开启振动台，模拟地震，使模型地基重现原型地基在地震作用下的各向变形，以便可以更好的探讨上部结构的响应，进而判定出上部结构在地震作用下的破坏机理，让试验的可靠度得以提升。
通过上述方式可知，本发明一种能够实现三向变形的地基模型箱装置解决了振动台试验中地基模型仅能模拟单向或双向地震波的问题，即在平面假定的基础上分析结构的地震响应，没有考虑地基在复杂地震作用下的空间效应的问题。另外有一些振动台试验的层状剪切模型箱装置，虽然能够在相互垂直的两个方向上进行地震激励，但该模型箱在输入另一方向的地震动时，必须重新安装滑槽内滚珠，操作过程较为繁琐费力，而且滚珠在超负荷框架压力下磨损严重，模型箱整体剪切变形难以达到理想状态，滚珠系统能否正常工作将直接决定模型箱设备能否重复利用,进而造成不必要的人力、物力的浪费。此外，还有些模型箱在装置中加入滚动体系统，虽然较好的反应地基土的变形，但装置复杂，带来了设计安装的不方便。本发明的三向变形的地基模型箱装置就完美的解决了以上这些缺陷。
Claims (6)
1.一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，其特征在于，包括外箱，所述外箱为具有底板(3)、具有侧壁板(1)、没有顶板的箱体，所述外箱中设置有内箱，所述内箱包括在竖直方向上等距设置的多层内框架(5)，上下相邻的两层内框架(5)之间设置有万向轮弹性滚珠组件连接，所述万向轮弹性滚珠组件用于由下向上传递振动。
2.根据权利要求1所述的一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，其特征在于，所述内框架(5)为方形内框架，所述内框架(5)的下表面四角处均设置有支座(4)，所述支座(4)为固定在内框架(5)下表面的方形板，所述方形板的两相邻直角边与内框架(5)外框的两相邻直角边重叠，所述方形板的另外两直角边位置对应内框架(5)的中空部分。
3.根据权利要求2所述的一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，其特征在于，所述万向轮弹性滚珠组件包括竖直设置于上下相邻两支座(4)之间的滚珠螺杆(6)，所述滚珠螺杆(6)的螺杆杆体顶端与位于其上方支座固定连接，所述螺杆杆体底部内置有压缩弹簧(7)，所述压缩弹簧(7)一端与和螺杆杆体固定连接，另一端连接有万向轮(8)，所述万向轮(8)位于滚珠螺杆(6)下方的支座(4)上。
4.根据权利要求2所述的一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，其特征在于，同一水平面内所述内框架(5)外边缘与外箱的侧壁板(1)内壁之间的距离为a，方形板的边长为b，a:b＝1:2。
5.根据权利要求1所述的一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，其特征在于，所述外箱的底板(3)设置有底梁(2)。
6.根据权利要求1所述的一种能够实现三向变形的地基模型箱装置，其特征在于，所述内框架(5)表面设置有橡胶阻尼材料层，所述橡胶阻尼材料层上包裹有橡皮内膜。
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