CN113848026A - 一种防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，采用内外双层组合、多段连接结构，在内、外层结构之间设有阻尼器，在阻尼器外面套装有弹簧Ⅰ，在阻尼器的外端连接有滑块；外侧板的水平滑槽以及外端板的限位滑槽与相应阻尼器的滑块配合；采用柔性防水膜Ⅰ密封每个箱段内外层之间的空间构成隔水夹层，在隔水夹层的底部设置进水装置，进水装置设有固定的缸体，在缸体内装配有活塞，出水管设置在进水腔和回水腔的衔接处，在回水腔上设有回水管，在回水管上设有止回阀，在活塞和回水腔的端盖之间连接有复位弹簧。本发明可以保证各点输入的地震波通过土体介质相互传播，减小反射波造成的误差，消除试验过程中动水阻尼的干扰。

Description

一种防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱

技术领域

本发明属于土木工程和水利工程技术领域，特别是一种防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱。

背景技术

振动台试验是研究地震荷载下土-结构动力相互作用的重要方法，其试验成本低、周期短，而且可以很好地再现地震过程和各种人工地震波，得到了广泛采用。在试验中，使用盛有土体的土箱代替实际半无限地基土体，因而土箱会产生边界效应，主要表现在土箱妨碍土体的剪切变形以及箱壁对地震波的反射，为解决这些问题常采用若干钢框叠合而成的层状剪切型土箱进行试验，但如何更合理的设置人工边界以进一步减小边界效应，提高试验精度仍值得探讨。

随着越来越多的水下地震模拟振动台台阵设备的建成，研究水域环境下结构的地震反应变得越来越便捷。但是已有的剪切箱基本上都是针对非水下振动台设计的，而缺少与水下振动台设备相配套的剪切箱装备。此类剪切箱装备应额外考虑试验过程中动水产生的阻尼对试验的影响。

对于水域环境下的长大结构，诸如大坝，桥梁等，由于其尺寸和跨度很大，在结构各点处施加同一个地震动(一致激励)显然不符合真实情况，故应进行地震动的多点输入。此时若简单地使用两个或两个以上的独立的剪切箱，地震动将无法在各点间相互传播，亦不符合真实情况。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，模拟粘弹性人工边界，既可保证各点输入的地震波可以通过土体介质相互传播，减小反射波造成的误差，又通过设置隔水的夹层消除试验过程中动水阻尼的干扰，提高试验精度。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，该剪切箱采用内外双层组合、多段连接结构，在两端设有端板，每个箱段设有与所述端板垂直的两个侧板以及一个与所述侧板垂直固接的底座，所述侧板包括内侧板和外侧板，所述内侧板是由上下间隔叠置的多层栅条板构成的，相邻两层内侧板的栅条板之间采用活动结构连接，在所述外侧板的内侧面上设有与所述内侧板的栅条板一一对应的多道水平滑槽，所述端板包括内端板和外端板，所述内端板与所述内侧板结构相同，在所述外端板的内侧面上设有与内端板的栅条板一一对应的多个滑槽行，每个滑槽行设有多个间隔设置的限位滑槽，所有所述限位滑槽竖向成列设置，内侧板的最下层栅条板以及内端板的最下层栅条板都与所述底座固接，在所述外侧板与所述内侧板的栅条板之间以及在所述外端板与所述内端板的栅条板之间均设有垂直、成列布置的阻尼器，在所述阻尼器外面套装有与其等长的弹簧Ⅰ，所述弹簧Ⅰ的两端都是自由的，在所述阻尼器的外端连接有滑块；所述内侧板的栅条板与其外侧的阻尼器固接，所述内端板的栅条板与其外侧的阻尼器固接，所述外侧板的水平滑槽与所述外侧板内侧的阻尼器的滑块配合，所述外端板的限位滑槽与所述外端板内侧的阻尼器的滑块配合，在所述外端板与各层所述内端板的栅条板之间均连接有垂直、成列布置的弹簧Ⅱ，所述弹簧Ⅱ设置在相邻的两列所述阻尼器之间，所述外端板和所述外侧板与所述底座固接，相邻的两个所述外侧板间设有间隔，在所述外端板和所述外侧板的底部设有进水孔，采用柔性防水膜Ⅰ密封每个箱段内外层之间的空间构成隔水夹层，在所述隔水夹层顶部连接有通气阀；在所述隔水夹层的底部设有与所述进水孔一一对应的进水装置，所述进水装置设有固定在所述隔水夹层底部的缸体，在所述缸体内装配有活塞，所述活塞将缸体内腔隔成进水腔和回水腔，在所述缸体上设置与出水孔连接的出水管，所述出水管设置在所述进水腔和所述回水腔的衔接处，在所述进水腔上设有与所述进水孔连接的进水管，在所述回水腔上设有与回水孔连接的回水管，在所述回水管上设有止回阀，所述出水孔和所述回水孔设置在内层结构最下层的栅条板上，在所述活塞和所述回水腔的端盖之间连接有复位弹簧，初始状态下，所述活塞封堵在所述出水管的入口处；在相邻的两个箱段之间设有将其底座连接在一起的承重连接板和将其相邻两个内侧板连接在一起的、与栅条板逐层铰接、成列布置的滑动连接装置，在所有所述滑动连接装置的内侧设置柔性防水膜Ⅱ，所述承重连接板搭接在相邻的两个底座上，一端固定，另一端活动。

所述滑动连接装置包括水平设置的滑轨和与其配合的滑条，所述滑轨和所述滑条连接端通过合页与对应的栅条板连接。

每个箱段在内层结构内侧以及内外层之间夹层空间的顶部和侧端部均设置有所述柔性防水膜Ⅰ，采用所述柔性防水膜Ⅰ密封每个箱段内外层之间的空间构成隔水夹层。

所述内侧板的栅条板与其外侧的阻尼器采用螺栓Ⅰ固接，所述内端板的栅条板与其外侧的阻尼器采用螺栓Ⅱ固接。

所述弹簧Ⅱ与所述外端板和所述内端板分别采用螺栓Ⅲ连接。

所述活动结构包括多个均匀布置的错动连接单元，所述错动连接单元包括上垫板、下垫板和滚珠，所述滚珠设置在上下相邻的两个栅条板之间，上垫板与在上的栅条板底面固接，下垫板与在下的栅条板顶面固接，上垫板和下垫板均设有中心通孔，所述滚珠安装在所述上垫板和下垫板的中央通孔内，所述上垫板和下垫板的中央通孔直径大于滚珠的直径，上垫板与下垫板的厚度之和小于滚珠的直径。

设置在内外层之间夹层空间顶部和侧端部的柔性防水膜Ⅰ压制成波纹状。

所述通气阀采用倒U型结构。

在所述承重连接板的活动端下方设有润滑油涂层。

所述内端板的栅条板和所述内侧板的栅条板都是采用方钢管制成的。

本发明具有的优点和积极效果是：通过采用一箱多段结构，使每个箱段可以输入独立的地震动，且所有地震波又可以通过填装在一个箱体内的土体介质相互传播，能够较为真实地模拟长大结构不同部位在地震中所受到的激励不一致的现象。各箱段间通过与可伸缩的滑动结构铰接，保证了各箱段的运动相对独立，互不干扰。通过采用内外双层组合结构，在内端板和外端板之间以及内侧板和外侧板之间设置阻尼器外套弹簧的组合结构，能够较好地模拟粘弹性边界约束。通过使用柔性防水膜形成隔水夹层，使土体与周围水体隔开，能够消除振动时动水阻尼的不利影响。进水装置能够自行启闭进水通道，使用方便，可以避免在进水装置处产生不利的动水阻尼，进一步提高了试验精度。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明的主视图；

图3为图2的左视图；

图4为图2的俯视图；

图5为图2的1-1断面图；

图6为图4的1-1断面图；

图7为图4的2-2断面图；

图8为本发明的滑动连接装置示意图；

图9为本发明的进水装置示意图；

图10为本发明的错动连接单元示意图。

图中：1、底座；2-1、内端板；2-1-1、内端板的栅条板；2-2、外端板；3-1、内侧板；3-1-1、内侧板的栅条板；3-2、外侧板；4、水平滑槽；5、弹簧Ⅰ；6、阻尼器；7、滑块；8、弹簧Ⅱ；9、进水孔；10、柔性防水膜Ⅰ；11、进水装置；11-1、进水管；11-2、出水管；11-3、活塞；11-4、缸体；11-5、复位弹簧；11-6、回水管；11-7、止回阀；12、回水孔；13、承重连接板；14、滑动连接装置；14-1、滑轨；14-2、滑条；14-3、合页；15、错动连接单元；15-1、上垫板；15-2下垫板；15-3、滚珠；16、通气阀；17、出水孔。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图10，一种防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，该剪切箱采用内外双层组合、多段连接结构，在两端设有端板，多段连接结构保证了每一段可以输入不同的地震动，各点的地震波又可以通过土体介质相互传播，起到地震波相互干扰的效果，更好地模拟了长大结构的不同部位在地震中所受到的激励不一致的现象。本实施例例举的剪切箱采用两段连接结构，但并不限于两段连接结构，还可以是三段或三段以上连接结构。

每个箱段设有与所述端板垂直的两个侧板以及一个与所述侧板垂直固接的底座1。

所述侧板包括内侧板3-1和外侧板3-2。

所述内侧板3-1是由上下间隔叠置的多层栅条板构成的，相邻两层内侧板的栅条板3-1-1之间采用活动结构连接，在所述外侧板3-2的内侧面上设有与所述内侧板的栅条板3-1-1一一对应的多道水平滑槽4。

所述端板包括内端板2-1和外端板2-2，所述内端板2-1与所述内侧板3-1结构相同，在所述外端板2-2的内侧面上设有与内端板的栅条板2-1-1一一对应的多个滑槽行，每个滑槽行设有多个间隔设置的限位滑槽，所有所述限位滑槽竖向成列设置。

内侧板的最下层栅条板以及内端板的最下层栅条板都与所述底座1固接，内侧板3-1和内端板2-1的结构保证了土体可以产生剪切变形。

在所述外侧板3-2与所述内侧板的栅条板3-1-1之间以及在所述外端板2-2与所述内端板的栅条板2-1-1之间均设有垂直、成列布置的阻尼器6，在所述阻尼器6外面套装有与其等长的弹簧Ⅰ5，所述弹簧Ⅰ5的两端都是自由的，在所述阻尼器6的外端连接有滑块7；所述内侧板的栅条板3-1-1与其外侧的阻尼器6固接，所述内端板的栅条板2-1-1与其外侧的阻尼器6固接，所述外侧板的水平滑槽4与所述外侧板内侧的阻尼器6的滑块7配合，所述外端板2-2的限位滑槽与所述外端板内侧的阻尼器6的滑块7配合，阻尼器6的滑块7可以在对应的滑槽内滑动。采用弹簧加阻尼器结构的目的是模拟粘弹性人工边界。

在所述外端板2-2与各层所述内端板的栅条板2-1-1之间均连接有垂直、成列布置的弹簧Ⅱ8，所述弹簧Ⅱ8设置在相邻的两列所述阻尼器6之间。

由于弹簧Ⅰ5的两端不固接，故在端板处设置两端固接的弹簧Ⅱ8，其作用是当内端板的栅条板2-1-1朝着远离外端板2-2的方向运动时，为内端板的栅条板2-1-1提供弹性约束，与阻尼器的约束共同构成粘弹性约束。

所述外端板2-2和所述外侧板3-2与所述底座1固接，相邻的两个所述外侧板3-2间设有间隔，在所述外端板2-2和所述外侧板3-2的底部设有进水孔9。

采用柔性防水膜Ⅰ10密封每个箱段内外层之间的空间构成隔水夹层，在所述隔水夹层顶部连接有通气阀16，其作用是在振动时使隔水夹层内外气压保持平衡，避免内部气压变化产生附加作用力。上述隔水夹层的具体构造为：每个箱段在内层结构内侧以及内外层之间夹层空间的顶部和侧端部均设置柔性防水膜Ⅰ10，采用柔性防水膜Ⅰ10密封每个箱段内外层之间的空间构成隔水夹层，将箱内土体与周围水体隔开，在进行水下振动台试验时，消除了动水阻尼的干扰，提高了试验精度。在所述隔水夹层的底部设有与所述进水孔9一一对应的进水装置11。

所述进水装置11设有固定在所述隔水夹层底部的缸体11-4，在所述缸体11-4内装配有活塞11-3，所述活塞11-3将缸体内腔隔成进水腔和回水腔，在所述缸体11-4上设置与出水孔17连接的出水管11-2，所述出水管11-2设置在所述进水腔和所述回水腔的衔接处，在所述进水腔上设有与所述进水孔9连接的进水管11-1，在所述回水腔上设有与回水孔12连接的回水管11-6，在所述回水管11-6上设有止回阀11-7，所述出水孔和所述回水孔设置在内层结构的最下层栅条板上，在所述活塞11-3和所述回水腔的端盖之间设置有复位弹簧11-5，初始状态下，所述活塞11-3封堵在所述出水管11-2的入口处。

上述进水装置实现了在设置隔水层的同时，水也可以进入箱体内部，且充水过程自行完成，使用方便，充水结束后自动封闭进水通道，避免了在进水装置处产生不利的动水阻尼。上述进水装置11的工作原理为：当外部水位高于箱内水位时，在水头差的作用下，活塞11-3受到水压力的作用并压缩复位弹簧11-5，出水管11-2被打开，水进入到箱内；箱内的水经由止回阀11-7和回水管11-6进入回水腔，形成的水压力作用在复位活塞11-3的回水侧。当箱内水位与外部水位相同时，活塞11-3两侧的水压力相平衡，复位弹簧11-5恢复原长，出水管11-2再次被封闭。振动时，活塞11-3的进水侧产生动水压力，但由于止回阀11-7的存在，回水腔中的水不会向箱内运动，出水管11-2保持封闭状态。上述进水装置设置在隔水夹层底部，与最下层栅条板连接，不妨碍各层栅条板的运动。

在相邻的两个箱段之间设有将其底座1连接在一起的承重连接板13和将其相邻两个内侧板连接在一起的、与栅条板3-1-1逐层铰接、成列布置的滑动连接装置14，在所有所述滑动连接装置14的内侧设置柔性防水膜Ⅱ，以防止土体透过缝隙逸出以及消除作用在缝隙处的动水阻尼。所述承重连接板13搭接在相邻的两个底座1上，一端固定，一端活动。在本实施例中，所述滑动连接装置包括水平设置的滑轨14-1和与其配合的滑条14-2，所述滑轨14-1和所述滑条14-2连接端通过合页14-3与对应的内侧板的栅条板3-1-1连接，这种连接结构使各箱段可以在水平方向任意转动，各箱段的运动相对独立，互不干扰。

在本实施例中，所述水平滑槽4和限位滑槽采用燕尾槽或T型槽，可以有效防止滑块7被拉出。所述内侧板的栅条板3-1-1与其外侧的阻尼器6采用螺栓Ⅰ固接，所述内端板的栅条板2-1-1与其外侧的阻尼器6采用螺栓Ⅱ固接；所述弹簧Ⅱ8与所述外端板2-2和所述内端板2-1分别采用螺栓Ⅲ连接。采用螺栓连接，阻尼器6和弹簧Ⅱ8便于更换。

所述活动结构包括多个均匀布置的错动连接单元15，所述错动连接单元15包括上垫板15-1、下垫板15-2和滚珠15-3，所述滚珠15-3设置在上下相邻的两个栅条板3-1-1之间，上垫板15-1与在上的栅条板3-1-1底面固接，下垫板15-2与在下的栅条板3-1-1顶面固接，上垫板15-1和下垫板15-2均设有中心通孔，所述滚珠15-3安装在所述上垫板15-1和下垫板15-2的中央通孔内，所述上垫板15-1和下垫板15-2的中央通孔直径大于滚珠15-3的直径，上垫板15-1与下垫板15-2的厚度之和小于滚珠15-3的直径。上述错动连接单元15用以实现各层栅条板间在水平面上的相对错动，以模拟土体的剪切变形。

在本实施例中，设置在内外层之间夹层空间顶部和侧端部的柔性防水膜Ⅰ10压制成波纹状。其目的是保证内端板2-1和内侧板3-1的运动不被防水膜10所约束。衬在内侧板3-1和内端板2-1内侧面上的所述防水膜Ⅰ10在底部出水处设置开口，并对开口周围进行密封。

在本实施例中，所述通气阀16采用倒U型结构。在所述承重连接板13的活动端下方设有润滑油涂层，以减小摩擦。所述内端板的栅条板2-1-1和所述内侧板的栅条板3-1-1都是采用方钢管制成的，空心结构有利于减轻栅条板的自重。位于端部的所述内侧板的栅条板3-1-1与所述内端板的栅条板2-1-1采用一体成型结构，位于端部的所述外侧板3-2与所述外端板2-2采用一体成型结构，方便组装。

在试验时，为了保证箱体内外有足够的水头差，可以先将剪切箱用挡板围起来，然后在外部注水，待外部水位接近试验水位时，再将挡板吊起。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，该剪切箱采用内外双层组合、多段连接结构，在两端设有端板，

每个箱段设有与所述端板垂直的两个侧板以及一个与所述侧板垂直固接的底座，

所述侧板包括内侧板和外侧板，所述内侧板是由上下间隔叠置的多层栅条板构成的，相邻两层内侧板的栅条板之间采用活动结构连接，在所述外侧板的内侧面上设有与所述内侧板的栅条板一一对应的多道水平滑槽，

所述端板包括内端板和外端板，所述内端板与所述内侧板结构相同，在所述外端板的内侧面上设有与内端板的栅条板一一对应的多个滑槽行，每个滑槽行设有多个间隔设置的限位滑槽，所有所述限位滑槽竖向成列设置，

内侧板的最下层栅条板以及内端板的最下层栅条板都与所述底座固接，

在所述外侧板与所述内侧板的栅条板之间以及在所述外端板与所述内端板的栅条板之间均设有垂直、成列布置的阻尼器，在所述阻尼器外面套装有与其等长的弹簧Ⅰ，所述弹簧Ⅰ的两端都是自由的，在所述阻尼器的外端连接有滑块；所述内侧板的栅条板与其外侧的阻尼器固接，所述内端板的栅条板与其外侧的阻尼器固接，所述外侧板的水平滑槽与所述外侧板内侧的阻尼器的滑块配合，所述外端板的限位滑槽与所述外端板内侧的阻尼器的滑块配合，

在所述外端板与各层所述内端板的栅条板之间均连接有垂直、成列布置的弹簧Ⅱ，所述弹簧Ⅱ设置在相邻的两列所述阻尼器之间，

所述外端板和所述外侧板与所述底座固接，相邻的两个所述外侧板间设有间隔，在所述外端板和所述外侧板的底部设有进水孔，

采用柔性防水膜Ⅰ密封每个箱段内外层之间的空间构成隔水夹层，在所述隔水夹层顶部连接有通气阀；

在所述隔水夹层的底部设有与所述进水孔一一对应的进水装置，所述进水装置设有固定在所述隔水夹层底部的缸体，在所述缸体内装配有活塞，所述活塞将缸体内腔隔成进水腔和回水腔，在所述缸体上设置与出水孔连接的出水管，所述出水管设置在所述进水腔和所述回水腔的衔接处，在所述进水腔上设有与所述进水孔连接的进水管，在所述回水腔上设有与回水孔连接的回水管，在所述回水管上设有止回阀，所述出水孔和所述回水孔设置在内层结构最下层的栅条板上，在所述活塞和所述回水腔的端盖之间连接有复位弹簧，初始状态下，所述活塞封堵在所述出水管的入口处；

在相邻的两个箱段之间设有将其底座连接在一起的承重连接板和将其相邻两个内侧板连接在一起的、与栅条板逐层铰接、成列布置的滑动连接装置，在所有所述滑动连接装置的内侧设置柔性防水膜Ⅱ，所述承重连接板搭接在相邻的两个底座上，一端固定，另一端活动。

2.根据权利要求1所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，所述滑动连接装置包括水平设置的滑轨和与其配合的滑条，所述滑轨和所述滑条连接端通过合页与对应的栅条板连接。

3.根据权利要求1所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，每个箱段在内层结构内侧以及内外层之间夹层空间的顶部和侧端部均设置有所述柔性防水膜Ⅰ，采用所述柔性防水膜Ⅰ密封每个箱段内外层之间的空间构成隔水夹层。

4.根据权利要求1所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，所述内侧板的栅条板与其外侧的阻尼器采用螺栓Ⅰ固接，所述内端板的栅条板与其外侧的阻尼器采用螺栓Ⅱ固接。

5.根据权利要求1所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，所述弹簧Ⅱ与所述外端板和所述内端板分别采用螺栓Ⅲ连接。

6.根据权利要求1所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，所述活动结构包括多个均匀布置的错动连接单元，所述错动连接单元包括上垫板、下垫板和滚珠，所述滚珠设置在上下相邻的两个栅条板之间，上垫板与在上的栅条板底面固接，下垫板与在下的栅条板顶面固接，上垫板和下垫板均设有中心通孔，所述滚珠安装在所述上垫板和下垫板的中央通孔内，所述上垫板和下垫板的中央通孔直径大于滚珠的直径，上垫板与下垫板的厚度之和小于滚珠的直径。

7.根据权利要求3所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，设置在内外层之间夹层空间顶部和侧端部的柔性防水膜Ⅰ压制成波纹状。

8.根据权利要求1所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，所述通气阀采用倒U型结构。

9.根据权利要求1所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，在所述承重连接板的活动端下方设有润滑油涂层。

10.根据权利要求1所述的防水型粘弹性边界约束的水下多点地震输入的剪切箱，其特征在于，所述内端板的栅条板和所述内侧板的栅条板都是采用方钢管制成的。

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