CN114354108B - 一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置，包括底板、基座、剪切框架、桩基础及检测装置，所述基座上基座、第一滚珠和下基座，所述上基座和所述下基座之间通过所述第一滚珠连接，使得所述上基座可以旋转，用于调节桩基础与激振方向之间的夹角；所述剪切框架包括剪切框架单体和反力组件，通过反力组件中的电磁弹簧阻尼器提供反力作用，模拟层状地基土中的粘弹性边界条件，可以极大传统模型箱带来的边界效应对采集结果的影响，使测量结果更加精准。同时，本发明还提供一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置的调节方法，可以实时调节电磁弹簧阻尼器的刚度系数和阻尼系数，以适应不同强度的地震波。

Description

一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置及其调节方法

【技术领域】

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置及其调节方法。

【背景技术】

地震荷载引起的桩基础沉降、倾斜和桩身结构破坏，将影响上部结构的安全和正常使用。地震作用下桩基础在地基软硬土层界面处易出现剪弯破坏，对桩基础的正常使用带来了极大的挑战。因此，层状地基(特别是软硬互层地基)中桩基础地震动弯曲破坏及其性能评价是工程界十分关心的热点之一。层状地基中桩基振动台模型试验成为研究桩基动力特性响应的重要手段之一。通过测得的宝贵试验数据，可以对理论解和数值模拟结果的正确性进行验证。

相关技术中，振动台模型主要为层状叠环式模型箱，通过若干个独立的方框，方框间通过滚动轴承连接，层状叠环式模型箱可以减小模型箱带来的边界效应的影响，但其通过滑动轴承实现层间连接，在填筑试验用土过程中可能发生侧倾的现象，存在一定的试验安全隐患。受限于振动台振动方向的单一，上述模型箱无法模拟激振角度对桩基础的影响程度。此外，上述模型箱在振动过程中，地震波在模型边界易发生散射和折射现象，无法很好地模拟实际地层中粘弹性边界条件，可能对试验产生不可忽略的影响。因此，实有必要提供一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置及其调节方法以解决上述问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是在于提供一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置及其调节方法，在模型边界上设置速度传感器监测土体边界法向速度和模型箱内部布置若干加速度传感器监测分层土体剪切波波速，通过计算程序实时计算边界弹簧刚度系数和阻尼，达到对边界消能的目的，从而更真实地模拟土体的自由边界条件；旋转上基座至不同设计角度，带动置于其内的桩基础，实现桩基础与激振方向的不同夹角，以此评估不同激振方向对桩基础的影响程度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置，包括底板、基座、剪切框架、桩基础及检测装置，所述底板固定于振动台台面上，所述基座包括下基座、上基座及第一滚珠，所述第一滚珠夹设于所述下基座和所述上基座之间，所述上基座可以绕其自身的中轴线自由旋转，所述剪切框架包括剪切框架单体及反力组件，所述剪切框架单体的数量为多个，多个所述剪切框架单体从下往上依次层叠设置，多个所述剪切框架单体配合围成填充空间，所述填充空间内填充土体，所述桩基础埋设于土体内，所述反力组件包括挡墙及电磁弹簧阻尼器，所述挡墙与所述基座固定，所述电磁弹簧阻尼器夹设于所述挡墙和所述剪切框架单体之间，所述电磁弹簧阻尼器沿所述剪切框架单体的运动方向设置于所述剪切框架单体的相对两侧，所述检测装置包括弹簧阻尼传感器、加速度传感器、速度传感器、导线及微型计算机；所述弹簧阻尼传感器安装于所述电磁弹簧阻尼器上，所述加速度传感器安装于剪切框架的内表面，所述速度传感器安装于所述剪切框架的外表面，所述弹簧阻尼传感器、加速度传感器及速度传感器均通过导线与微型计算机连接，向所述微型计算机反馈检测数据，所述微型计算机对检测数据进行计算处理，控制所述电磁弹簧阻尼器调节刚度系数及阻尼系数。

优选的，所述下基座与所述底板焊接固定，所述下基座凹陷形成有环形的第一凹槽，所述上基座凹陷形成有环形的第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽正对设置并配合形成收容所述第一滚珠的第一滚道；所述上基座上贯穿设置有多个锚固螺栓孔，所述下基座上贯穿设置有锚固对位孔，需要锚固时，将所述锚固螺栓孔与所述锚固对位孔对齐，采用锚固螺栓穿过所述锚固螺栓孔与所述锚固对位孔连接，实现所述上基座的固定，锁定振动方向。

优选的，所述剪切框架单体包括长边和短边，所述长边的数量为两个，两个所述长边平行间隔，所述短边的数量也为两个，两个所述短边设置于所述长边的两端并连接两个所述长边，所述长边与所述短边配合围成矩形的框架式结构，所述长边的上表面凹陷形成有上直线槽，下表面凹陷形成有下直线槽，相邻的两个所述剪切框架单体中，上方剪切框架单体的下直线槽与下方剪切框架单体的上直线槽正对设置，且二者配合形成直线形的第二滚道，所述第二滚道内设置有多个第二滚珠，所述第二滚珠夹设于相邻两个所述剪切框架单体之间，使得相邻两个所述剪切框架单体可以相对移动，且移动的方向为所述第二滚道的延伸方向。

优选的，所述剪切框架还包括橡胶衬垫，所述橡胶衬垫贴覆于所述剪切框架单体的内表面，多个所述剪切框架单体上的橡胶衬垫连接形成一体，用于封堵相邻两个所述剪切框架单体之间的缝隙。

优选的，所述剪切框架还包括稳定组件，所述稳定组件设置有两组，两组所述稳定组件关于两个所述长边的中心线的连线对称设置；每组所述稳定组件均包括立柱、横杆、轴杆及轴承，所述立柱的数量为两个，两个所述立柱均设置于所述长边的外侧，且所述立柱与所述上基座通过螺栓固定，所述横杆位于所述剪切框架的上方且连接两个所述立柱的顶部，所述轴杆设置于所述立柱和所述剪切框架之间，所述轴杆的主体与所述立柱平行，其底部与所述上基座焊接固定，顶部向所述立柱弯折并与所述立柱焊接固定；所述轴承套设于所述轴杆上，所述轴承的内圈与所述轴杆固定，所述轴承的外圈抵接所述剪切框架单体。

优选的，位于所述剪切框架不同侧的反力组件关于两个所述长边中心点的连线对称设置；所述反力组件还包括斜撑，所述挡墙的底部与所述上基座焊接固定，所述斜撑的底部与所述上基座焊接固定且与所述挡墙的底部间隔，所述斜撑的顶部与所述挡墙的顶部焊接固定，所述电磁弹簧阻尼器夹设于所述挡墙和所述短边之间。

优选的，所述桩基础包括从下往上依次设置的桩体、承台、桥墩及质量块，所述桩体埋设于所述填充空间的土体内，所述承台承载于土体表面，所述桥墩及质量块悬置于土体上方。

本发明还提供一种上述的边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置的调节方法，包括如下步骤：

S1：通过振动台输入地震加速度时程曲线，获取各加速度传感器采集的加速度数据，形成各测点的加速度时程曲线，采集直达波到达各测点的时间差，根据该时间差及各测点之间的间距计算各层土体的剪切波速度V_si；

S2：根据各层土体的泊松比，计算各层土体的纵波波速V_pi，并依照纵波波速V_pi计算各层土体位置上电磁弹簧阻尼器的刚度系数k_i：

式中，k_i表示第i层土体位置上电磁弹簧阻尼器的刚度系数；ρ_i表示第i层土体密度；V_i ⁿ表示第i层土体位置上剪切框架的边界法向速度，由速度传感器采集得到；A表示第i层土体所对应的剪切框架的受力面积；B表示第i层土体位置上电磁弹簧阻尼器的个数；

S3：构造土体单元的水平振动平衡微分方程，结合相邻涂层界面处的剪应力和位移连续条件，得到连续方程，多次迭代，计算多层土体的固有圆频率ω_1-2-3···N；

S4：依据半功率带宽法计算各层土体的阻尼系数ξ_i，并依照层土体的阻尼系数ξ_i计算得到各层土体位置上电磁弹簧阻尼器的阻尼系数c_i：

c_i＝2m_iω_1-2-3···Nξ_i

式中，m_i为各层土体的质量；

S5：将计算出的电磁弹簧阻尼器的刚度系数和阻尼系数作为控制值发送给所述电磁弹簧阻尼器，控制所述电磁弹簧阻尼器将实时的刚度系数和阻尼系数调节为控制值。

优选的，所述步骤S1中“各层土体的剪切波速度V_si”的计算过程为：

式中，V_si表示第i层土体的剪切波速度，H_i表示第i个测点与第i+1个测点的间距，Δt_i表示直达波到达第i个测点与第i+1个测点的时间差；

所述步骤S2中“各层土体的纵波波速V_pi”的计算过程为：

式中，ν_i表示第i层土体的泊松比；V_pi表示第i层土体的纵波波速。

优选的，所述步骤S3中“多次迭代，计算多层土体的固有圆频率ω_1-2-3···N”具体为：

任意单层土体的自振周期表示为：

计算双层土的自振周期T_1-2：

式中，T_1-2为双层土的固有自振周期；T₁和T₁分为土层1和土层2的自振周期；ρ₁和ρ₂分别为土层1和土层2的密度；H₁和H₂分别为土层1和土层2的厚度；

计算三层土的自振周期T_1-2-3：

式中，T_1-2-3为三层土的固有自振周期；T₃为土层3的自振周期；ρ₃为土层3的密度；H_1-2表示土层1和土层2的总高度，ρ_1-2表示土层1和土层2的平均密度；

多次迭代，计算N层土的自振周期T_1-2-3…N:

求解等式，得到N层土的自振周期T_1-2-3…N；

则：

式中，T_1-2-3…N表示多层土体的自振周期；

所述步骤S4中“各层土体的阻尼系数ξ_i”的计算过程为：

式中，ω_a和ω_b分别为共振频率两侧当振动幅值为共振幅值的0.707倍时的扰动频率。

与相关技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)相邻两个剪切框架单体通过第二滚珠连接，第二滚珠设置在直线型的第二滚道内，可以使剪切框架单体发生水平定向运动，同时在剪切框架的外围设置有稳定组件，可以避免剪切框架单体的侧倾，大大提高了试验的安全性。

(2)通过旋转上基座，可调整激振方向和与桩基础的夹角，进而可以分析并评估不同激振角度对桩基础的影响；

(3)剪切框架的外围设置有多个电磁弹簧阻尼器，其阻尼系数及刚度系数通过加速度传感器和速度传感器实时计算并施加，在地震波作用下能够更好地模拟层状地基土中的粘弹性边界条件，可以极大地减小传统模型箱带来的边界效应对采集结果的影响，使测量结果更加精准。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明提供的一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置的立体结构示意图；

图2为图1所示的基座的分解结构示意图；

图3为图1所示的一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置的俯视图；

图4为第二滚珠的安装示意图；

图5为稳定组件的结构示意图；

图6为反力组件的结构示意图；

图7为桩基础的结构示意图；

图8为各土层剪切波波速采集示意图；

图9为N层土体系圆频率计算流程图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合本申请的附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

请结合参阅图1-7，本发明提供一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置100，包括底板10、基座20、剪切框架30、桩基础40及检测装置50。

所述底板10通过螺栓固定于振动台台面上，振动台提供的地震波经由所述底板10向上传播。

所述基座20包括下基座21、上基座22及第一滚珠23，所述第一滚珠23夹设于所述下基座21和所述上基座22之间。

具体的，所述下基座21与所述底板10焊接固定，所述下基座21凹陷形成有环形的第一凹槽，所述上基座22凹陷形成有环形的第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽正对设置并配合形成收容所述第一滚珠23的第一滚道，所述第一滚珠23与所述第一滚道的内表面形成滚动摩擦，具有较小的摩阻。当所述基座20上方受到外力载荷时，会限制所述上基座22沿竖直方向的运动，此时，所述上基座22和所述下基座21之间只能出现相对转动，同时，所述上基座22和所述下基座21的中轴线位于同一直线上，由于所述下基座21与所述底板10固定，因此所述上基座22可以绕其自身的中轴线自由旋转。

所述上基座22上贯穿设置有多个锚固螺栓孔，所述下基座21上贯穿设置有锚固对位孔，需要锚固时，将所述锚固螺栓孔与所述锚固对位孔对齐，采用锚固螺栓穿过所述锚固螺栓孔与所述锚固对位孔连接，实现所述上基座22的固定。

当所述锚固螺栓未安装时，所述上基座22可以自由旋转，带动其内部的桩基础40旋转，以改变所述桩基础与激振方向的夹角，形成不同的激振角度，实现激振角度的任意调节，进而可以分析并评估不同激振角度对桩基础的影响；当激振角度调节完毕后，安装所述锚固螺栓，使所述上基座22与所述下基座21固定，锁定振动方向，使地震波能够稳定向上传播至模型内的土体。

所述剪切框架30包括剪切框架单体31、橡胶衬垫32、稳定组件33及反力组件34。

所述剪切框架单体31的数量为多个，多个所述剪切框架单体31从下往上依次层叠设置。所述剪切框架单体31包括长边311和短边312，所述长边311的数量为两个，两个所述长边311平行间隔，所述短边312的数量也为两个，两个所述短边312设置于所述长边311的两端并连接两个所述长边311，所述长边311与所述短边312配合围成矩形的框架式结构，多个所述剪切框架单体31配合围成填充空间，所述填充空间内填充土体。

所述长边311的上表面凹陷形成有上直线槽3111，下表面凹陷形成有下直线槽3112，相邻的两个所述剪切框架单体31中，上方剪切框架单体的下直线槽与下方剪切框架单体的上直线槽正对设置，且二者配合形成直线形的第二滚道，所述第二滚道内设置有多个第二滚珠313，所述第二滚珠313夹设于相邻两个所述剪切框架单体31之间，使得相邻两个所述剪切框架单体31可以相对移动，且移动的方向为所述第二滚道的延伸方向。为了避免所述第二滚道内的第二滚珠313逸出，需要在所述第二滚道的两端设置挡块进行限位。

所述橡胶衬垫32贴覆于所述剪切框架单体31的内表面，多个所述剪切框架单体31上的橡胶衬垫31连接形成一体。所述橡胶衬垫32用于封堵相邻两个所述剪切框架单体31之间的缝隙，避免土体溢出。由于橡胶衬垫31具有弹性，当所述剪切框架单体31出现移动时，通过所述橡胶衬垫32的拉伸可以适应剪切框架单体31的移动量。

所述稳定组件33设置有两组，两组所述稳定组件33关于两个所述长边311的中心点的连线对称设置。

每组所述稳定组件33均包括立柱331、横杆332、轴杆333及轴承334。所述立柱331的数量为两个，两个所述立柱331均设置于所述长边311的外侧，且所述立柱331与所述上基座22通过螺栓固定，所述横杆332位于所述剪切框架30的上方且连接两个所述立柱331的顶部，所述横杆332与两个所述立柱331配合形成龙门架式的稳定结构。

所述轴杆333设置于所述立柱331和所述剪切框架30之间，所述轴杆333的主体与所述立柱331平行，其底部与所述上基座22焊接固定，顶部向所述立柱331弯折并与所述立柱331焊接固定。

所述轴承334套设于所述轴杆333上，所述轴承334的内圈与所述轴杆331固定，固定的方式可以选择为键连接，所述轴承334的外圈抵接所述长边311。所述轴承334为所述剪切框架单体31提供刚性支撑，限制所述剪切框架单体31的侧倾。在初始状态下，所述轴承334与所述长边311刚好接触，但是二者之间不存在挤压力，此时摩擦阻力为0，不会限制剪切框架31沿长边311方向的移动；当剪切框架单体31发生一定程度的侧倾时，会挤压所述轴承334，所述轴承334为所述剪切框架单体31提供反向的支撑力，限制所述剪切框架单体31的进一步侧倾，但是由于所述轴承334与所述长边之间为滚动摩擦，摩擦阻力较小，同样不会对所述剪切框架单体31的水平移动构成较大的限制。

位于所述剪切框架30不同侧的反力组件34关于两个所述长边311中心点的连线对称设置。

所述反力组件34包括挡墙341、斜撑342及电磁弹簧阻尼器343，所述挡墙341的底部与所述上基座22焊接固定，所述斜撑342的底部与所述上基座22焊接固定且与所述挡墙341的底部间隔，所述斜撑342的顶部与所述挡墙341的顶部焊接固定，形成三角形的稳定支撑结构。

所述电磁弹簧阻尼器343夹设于所述挡墙341和所述短边312之间，当所述剪切框架单体31沿长边311方向移动时，会挤压或拉伸所述电磁弹簧阻尼器343，所述电磁弹簧阻尼器343会形成反力效果，模拟土体远端粘弹性边界条件，同时利用电磁弹簧阻尼器343的弹性作用，还可以起到对模型边界的消能处理。

所述电磁弹簧阻尼器343采用本领域的常规结构，其包括电子控制器ECU、圆筒形线性电机和弹簧液压器，当所述加速度传感器52检测到所述剪切框架30的位置发生改变时，所述微型计算机55向所述电子控制器ECU发送控制信号，控制所述圆筒形线性电机接通定子线圈的输入回路，为定子线圈输入外加电流，产生反方向阻力，形成阻尼效果。输入的外加电流越大，定子线圈产生磁场越强，圆筒形线性电机产生的反方向阻尼也就越大。

所述桩基础40包括从下往上依次设置的桩体41、承台42、桥墩43及质量块44，所述桩体41埋设于所述填充空间的土体内，所述承台42承载于土体表面，所述桥墩43及质量块44悬置于土体上方。

所述检测装置50包括电磁弹簧阻尼传感器51、加速度传感器52、速度传感器53、导线54及微型计算机55。

所述弹簧阻尼传感器51安装于所述电磁弹簧阻尼器343上，用于检测所述电磁弹簧阻尼器343的刚度系数及阻尼系数。所述电磁弹簧阻尼器343基于电磁原理提供阻尼效果，因此通过检测所述电磁弹簧阻尼器343的外加电流大小，再通过本领域中的常规算法就可以计算出所述电磁弹簧阻尼器343的刚度系数和阻尼系数。

所述加速度传感器52安装于剪切框架30的内表面，所述加速度传感器52根据所述填埋空间内部土体分层情况进行设置，例如，内部土体分为三层，则在三层土体所对应的高度上分别设置所述加速度传感器52，检测不同分层土体作用下剪切框架30的运动的加速度。

所述速度传感器53安装于所述剪切框架30的外表面，所述速度传感器53同样根据所述填埋空间内部的土体分层性质进行设置。所述速度传感器53用于测定对应高度处所述剪切框架30的速度。

所述弹簧阻尼传感器51、加速度传感器52及速度传感器53均通过导线54与微型计算机55连接，向所述微型计算机55反馈检测数据，所述微型计算机55对检测数据进行计算处理，控制所述电磁弹簧阻尼器343调节刚度系数及阻尼系数，其具体的调节原理为：通过调节所述电磁弹簧阻尼器343的外加电流大小，外加电流越大，则电磁弹簧阻尼器343的刚度系数和阻尼系数越大；外加电流越小，则电磁弹簧阻尼器343的刚度系数和阻尼系数越小。

请结合参阅图1-9，本发明还提供一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置的调节方法，包括如下步骤：

S1：通过振动台输入地震加速度时程曲线，获取各加速度传感器采集的加速度数据，形成各测点的加速度时程曲线，采集直达波到达各测点的时间差，根据该时间差及各测点之间的间距计算各层土体的剪切波速度V_si：

式中，V_si表示第i层土体的剪切波速度，H_i表示第i个测点与第i+1个测点的间距，Δt_i表示直达波到达第i个测点与第i+1个测点的时间差；

需要说明的是，土体的层数从下往上依次设置，与上基座22直接接触的为第1层土体，以此类推。

S2：根据各层土体的泊松比，计算各层土体的纵波波速V_pi，并依照纵波波速V_pi计算各层土体位置上电磁弹簧阻尼器的刚度系数k_i：

式中，k_i表示第i层土体位置上电磁弹簧阻尼器的刚度系数；ρ_i表示第i层土体密度；V_i ⁿ表示第i层土体位置上剪切框架的边界法向速度，由速度传感器采集得到；A表示第i层土体所对应的剪切框架的受力面积；B表示第i层土体位置上电磁弹簧阻尼器的个数；

式中，ν_i表示第i层土体的泊松比；V_pi表示第i层土体的纵波波速。

S3：构造土体单元的水平振动平衡微分方程，结合相邻涂层界面处的剪应力和位移连续条件，得到连续方程，多次迭代，计算多层土体的固有圆频率ω_1-2-3···N：

迭代的过程具体为：

任意单层土体的自振周期表示为：

计算双层土的自振周期T_1-2：

式中，T_1-2为双层土的固有自振周期；T₁和T₁分为土层1和土层2的自振周期；ρ₁和ρ₂分别为土层1和土层2的密度；H₁和H₂分别为土层1和土层2的厚度；

计算三层土的自振周期T_1-2-3：

式中，T_1-2-3为三层土的固有自振周期；T₃为土层3的自振周期；ρ₃为土层3的密度；H_1-2表示土层1和土层2的总高度，ρ_1-2表示土层1和土层2的平均密度；

多次迭代，计算N层土的自振周期T_1-2-3…N:

求解等式，得到N层土的自振周期T_1-2-3…N；

则：

式中，T_1-2-3…N表示多层土体的自振周期。

S4：依据半功率带宽法计算各层土体的阻尼系数ξ_i，并依照层土体的阻尼系数ξ_i计算得到各层土体位置上电磁弹簧阻尼器的阻尼系数c_i：

式中，ω_a和ω_b分别为共振频率两侧当振动幅值为共振幅值的0.707倍时的扰动频率；

c_i＝2m_iω_1-2-3···Nξ_i

式中，m_i为各层土体的质量。

S5：将计算出的电磁弹簧阻尼器的刚度系数和阻尼系数作为控制值发送给所述电磁弹簧阻尼器，控制所述电磁弹簧阻尼器将实时的刚度系数和阻尼系数调节为控制值。

调节的过程由微型计算机控制执行，即通过预先在微型计算中内置程序，当加速度传感器、速度传感器检测到数据后，即反馈给所述微型计算机，经过所述微型计算机的计算得到电磁弹簧阻尼器的刚度系数和阻尼系数，然后发送给电磁弹簧阻尼器进行调节，所述电磁弹簧阻尼器用于实时检测电磁弹簧阻尼器的刚度系数和阻尼系数，判断其是否达到控制值。通过实时的调节，可以满足不同强度地震波下的使用需求，以此对模型边界进行消能处理，提高测量的精准性。

与相关技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)相邻两个剪切框架单体通过第二滚珠连接，第二滚珠设置在直线型的第二滚道内，可以使剪切框架单体发生水平定向运动，同时在剪切框架的外围设置有稳定组件，可以避免剪切框架单体的侧倾，大大提高了试验的安全性。

(2)通过旋转上基座，可调整激振方向和与桩基础的夹角，进而可以分析并评估不同激振角度对桩基础的影响；

(3)剪切框架的外围设置有多个电磁弹簧阻尼器，其阻尼系数及刚度系数通过加速度传感器和速度传感器实时计算并施加，在地震波作用下能够更好地模拟层状地基土中的粘弹性边界条件，可以极大地减小传统模型箱带来的边界效应对采集结果的影响，使测量结果更加精准。

以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置，其特征在于，包括底板、基座、剪切框架、桩基础及检测装置，所述底板固定于振动台台面上，所述基座包括下基座、上基座及第一滚珠，所述第一滚珠夹设于所述下基座和所述上基座之间，所述上基座可以绕其自身的中轴线自由旋转，所述剪切框架包括剪切框架单体及反力组件，所述剪切框架单体的数量为多个，多个所述剪切框架单体从下往上依次层叠设置，多个所述剪切框架单体配合围成填充空间，所述填充空间内填充土体，所述桩基础埋设于土体内，所述反力组件包括挡墙及电磁弹簧阻尼器，所述挡墙与所述基座固定，所述电磁弹簧阻尼器夹设于所述挡墙和所述剪切框架单体之间，所述电磁弹簧阻尼器沿所述剪切框架单体的运动方向设置于所述剪切框架单体的相对两侧，所述检测装置包括弹簧阻尼传感器、加速度传感器、速度传感器、导线及微型计算机；所述弹簧阻尼传感器安装于所述电磁弹簧阻尼器上，所述加速度传感器安装于剪切框架的内表面，所述速度传感器安装于所述剪切框架的外表面，所述弹簧阻尼传感器、加速度传感器及速度传感器均通过导线与微型计算机连接，向所述微型计算机反馈检测数据，所述微型计算机对检测数据进行计算处理，控制所述电磁弹簧阻尼器调节刚度系数及阻尼系数；

所述下基座与所述底板焊接固定，所述下基座凹陷形成有环形的第一凹槽，所述上基座凹陷形成有环形的第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽正对设置并配合形成收容所述第一滚珠的第一滚道；所述上基座上贯穿设置有多个锚固螺栓孔，所述下基座上贯穿设置有锚固对位孔，需要锚固时，将所述锚固螺栓孔与所述锚固对位孔对齐，采用锚固螺栓穿过所述锚固螺栓孔与所述锚固对位孔连接，实现所述上基座的固定，锁定振动方向。

2.根据权利要求1所述的边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置，其特征在于，所述剪切框架单体包括长边和短边，所述长边的数量为两个，两个所述长边平行间隔，所述短边的数量也为两个，两个所述短边设置于所述长边的两端并连接两个所述长边，所述长边与所述短边配合围成矩形的框架式结构，所述长边的上表面凹陷形成有上直线槽，下表面凹陷形成有下直线槽，相邻的两个所述剪切框架单体中，上方剪切框架单体的下直线槽与下方剪切框架单体的上直线槽正对设置，且二者配合形成直线形的第二滚道，所述第二滚道内设置有多个第二滚珠，所述第二滚珠夹设于相邻两个所述剪切框架单体之间，使得相邻两个所述剪切框架单体可以相对移动，且移动的方向为所述第二滚道的延伸方向。

3.根据权利要求1所述的边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置，其特征在于，所述剪切框架还包括橡胶衬垫，所述橡胶衬垫贴覆于所述剪切框架单体的内表面，多个所述剪切框架单体上的橡胶衬垫连接形成一体，用于封堵相邻两个所述剪切框架单体之间的缝隙。

4.根据权利要求2所述的边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置，其特征在于，所述剪切框架还包括稳定组件，所述稳定组件设置有两组，两组所述稳定组件关于两个所述长边的中心线的连线对称设置；每组所述稳定组件均包括立柱、横杆、轴杆及轴承，所述立柱的数量为两个，两个所述立柱均设置于所述长边的外侧，且所述立柱与所述上基座通过螺栓固定，所述横杆位于所述剪切框架的上方且连接两个所述立柱的顶部，所述轴杆设置于所述立柱和所述剪切框架之间，所述轴杆的主体与所述立柱平行，其底部与所述上基座焊接固定，顶部向所述立柱弯折并与所述立柱焊接固定；所述轴承套设于所述轴杆上，所述轴承的内圈与所述轴杆固定，所述轴承的外圈抵接所述长边。

5.根据权利要求2所述的边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置，其特征在于，位于所述剪切框架不同侧的反力组件关于两个所述长边中心点的连线对称设置；所述反力组件还包括斜撑，所述挡墙的底部与所述上基座焊接固定，所述斜撑的底部与所述上基座焊接固定且与所述挡墙的底部间隔，所述斜撑的顶部与所述挡墙的顶部焊接固定，所述电磁弹簧阻尼器夹设于所述挡墙和所述短边之间。

6.根据权利要求1所述的边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置，其特征在于，所述桩基础包括从下往上依次设置的桩体、承台、桥墩及质量块，所述桩体埋设于所述填充空间的土体内，所述承台承载于土体表面，所述桥墩及质量块悬置于土体上方。

7.一种如权利要求1所述的边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置的调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：通过振动台输入地震加速度时程曲线，获取各加速度传感器采集的加速度数据，形成各测点的加速度时程曲线，采集直达波到达各测点的时间差，根据该时间差及各测点之间的间距计算各层土体的剪切波速度V_si；

S2：根据各层土体的泊松比，计算各层土体的纵波波速V_pi，并依照纵波波速V_pi计算各层土体位置上电磁弹簧阻尼器的刚度系数k_i：

式中，k_i表示第i层土体位置上电磁弹簧阻尼器的刚度系数；ρ_i表示第i层土体密度；V_i ⁿ表示第i层土体位置上剪切框架的边界法向速度，由速度传感器采集得到；A表示第i层土体所对应的剪切框架的受力面积；B表示第i层土体位置上电磁弹簧阻尼器的个数；

S3：构造土体单元的水平振动平衡微分方程，结合相邻涂层界面处的剪应力和位移连续条件，得到连续方程，多次迭代，计算多层土体的固有圆频率ω_1-2-3...N；

S4：依据半功率带宽法计算各层土体的阻尼系数ξ_i，并依照层土体的阻尼系数ξ_i计算得到各层土体位置上电磁弹簧阻尼器的阻尼系数c_i：

c_i＝2m_iω_1-2-3…Nξ_i

式中，m_i为各层土体的质量；

S5：将计算出的电磁弹簧阻尼器的刚度系数和阻尼系数作为控制值发送给所述电磁弹簧阻尼器，控制所述电磁弹簧阻尼器将实时的刚度系数和阻尼系数调节为控制值。

8.根据权利要求7所述的一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置的调节方法，其特征在于，所述步骤S1中“各层土体的剪切波速度V_si”的计算过程为：

式中，V_si表示第i层土体的剪切波速度，H_i表示第i个测点与第i+1个测点的间距，Δt_i表示直达波到达第i个测点与第i+1个测点的时间差；

所述步骤S2中“各层土体的纵波波速V_pi”的计算过程为：

式中，v_i表示第i层土体的泊松比；V_pi表示第i层土体的纵波波速。

9.根据权利要求7所述的一种边界缓冲消能的桩基础振动台试验装置的调节方法，其特征在于，所述步骤S3中“多次迭代，计算多层土体的固有圆频率ω_1-2-3…N”具体为：

任意单层土体的自振周期表示为：

计算双层土的自振周期T_1-2：

式中，T_1-2为双层土的固有自振周期；T₁和T₁分为土层1和土层2的自振周期；ρ₁和ρ₂分别为土层1和土层2的密度；H₁和H₂分别为土层1和土层2的厚度；

计算三层土的自振周期T_1-2-3：

式中，T_1-2-3为三层土的固有自振周期；T₃为土层3的自振周期；ρ₃为土层3的密度；H_1-2表示土层1和土层2的总高度，ρ_1-2表示土层1和土层2的平均密度；

多次迭代，计算N层土的自振周期T_1-2-3…N:

求解等式，得到N层土的自振周期T_1-2-3…N；

则：

式中，T_1-2-3…N表示多层土体的自振周期；

所述步骤S4中“各层土体的阻尼系数ξ_i”的计算过程为：

式中，ω_a和ω_b分别为共振频率两侧当振动幅值为共振幅值的0.707倍时的扰动频率。

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