CN114705386A - 一种长大隧道结构拟静力抗震试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种长大隧道结构拟静力抗震试验装置及试验方法，包括反力结构、加载结构以及立方体刚性模型箱；反力结构包括反力台座和反力墙，所述反力墙呈L型结构设置，环设在反力台座周围；在反力台座表面放置立方体刚性模型箱，立方体刚性模型箱内放置用于试验模拟的围岩相似材料以及长大隧道结构模型；加载结构包括四个液压作动器，竖向排列，上方作动器与模型箱二层相连接，下方作动器与模型箱一层连接，加载时通过不同施力大小模拟结构惯性力分布模式；本发明能够减小由于振动台缩尺模型带来的尺寸效应影响，实现了大比例尺隧道结构模型试验分析，同时通过力‑位移混合控制对地震作用进行模拟，更好地模拟长大隧道的地震动力反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种长大隧道结构拟静力抗震试验装置及试验方法，属于地下结构抗震拟静力试验设备领域。
背景技术
目前，地震模拟振动台试验是研究隧道结构地震动力响应的常用手段。但受限于振动台承载力和台面尺寸限制，绝大部分只能进行小比例缩尺模型试验，尤其是对于长大隧道，过度简化的试验结构模型严重影响了振动台试验结果的真实性。如果能提高试验模型的缩尺比例，即实现更大模型的隧道结构试验，就可以减小尺寸效应，另一方面，更大的试验模型箱也可以模拟不同地质条件与结构跨断层的影响。
同时，低周往复荷载试验是一种可以模拟大型结构或构件动力响应的结构抗震试验方法，也称作拟静力试验。拟静力试验按照预先指定的加载规则对结构进行往复加载，模拟其在地震作用下所承受的惯性力，使结构变形从弹性阶段发展到塑性阶段，直至破坏，并从中获得试件的承载力、刚度、恢复力模型、耗能性能、损伤状态等结构性能。结构在遭遇强烈地震时，反复作用的惯性力使结构进入非线性状态，地震模拟振动台试验的结构尺寸较小，侧重于结构的宏观反应，而在低周往复荷载试验中，加载速率较低，但可以对大比例尺结构模型施加较大的反复荷载，研究结构构件在反复荷载作用下的承载能力和变形性能。在拟静力试验中，单个作动器施加的荷载大小和方向与时间的变化关系，成为结构或构件的加载制度，当多个作动器同时施加荷载时，成为结构加载模式。传统的拟静力试验多用于钢结构或钢筋混凝土结构，而长大隧道结构地震动力响应分析时，需要采用模型箱将围岩材料与隧道结构包裹住以模拟实际情况，因此在拟静力试验领域鲜有涉及。
综上所述，目前长大隧道结构振动台试验受限于设备限制，往往采用较小的缩尺模型，无法模拟结构真实地震反应，寻求一种简单实用且规模较大的的长大隧道结构抗震试验装置迫在眉睫，同时，采用拟静力荷载试验时，多个作动器如何准确反映结构惯性力分布形式也仍需研究。
发明内容
本发明提供一种长大隧道结构拟静力抗震试验装置及试验方法，将拟静力试验与隧道结构振动台试验模型箱相结合，实现了大比例尺隧道结构模型试验分析，同时通过力-位移混合控制对地震作用进行模拟，更好地模拟长大隧道的地震动力反应。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种长大隧道结构拟静力抗震试验装置，包括反力结构、加载结构以及立方体刚性模型箱；
所述反力结构包括反力台座和反力墙，所述反力墙呈L型结构设置，环设在反力台座周围；
在反力台座表面放置立方体刚性模型箱，立方体刚性模型箱内放置用于试验模拟的围岩相似材料以及长大隧道结构模型；
所述加载结构包括四个液压作动器，其中两个为一组，分别安装在反力墙的两个墙板上，每组内的两个液压作动器设置后形成的连接线垂直于反力台座；
每个液压作动器的一端通过铰支基座固定在反力墙的墙板上，液压作动器的另一端为施力端，且施力端抵住立方体刚性模型箱的箱壁；
作为本发明的进一步优选，所述立方体刚性模型箱分为两层，定义靠近反力台座的为第一层，位于第一层上方的为第二层，每组液压作动器中位于下方的液压作动器与立方体刚性模型箱的第一层接触，位于上方的液压作动器与第二层接触；
作为本发明的进一步优选，所述立方体刚性模型箱的整个箱体为角钢框架，底面为钢板，钢板与角钢框架焊接；
所述反力台座为钢筋混凝土厚板，其在浇筑时预留槽道，在钢板上预留孔洞，地脚螺栓穿设孔洞与反力台座表面的槽道可移动连接；
角钢框架内衬木板，在立方体刚性模型箱的内侧壁贴合填充聚苯乙烯泡沫塑料垫层；
作为本发明的进一步优选，所述角钢框架的框架侧壁上焊接斜向支撑；
作为本发明的进一步优选，在反力墙上安装液压作动器的位置开设孔洞，螺栓穿设孔洞固定铰支基座，铰支基座固定液压作动器的一端；
液压作动器的施力端通过铰支接头与立方体刚性模型箱连接；
作为本发明的进一步优选，所述液压作动器包括电液伺服阀、加载油缸以及活塞杆，加载油缸的封闭端与铰支基座连接，在加载油缸的封闭端还安装位移传感器，加载油缸的筒壁上安装电液伺服阀，在加载油缸内嵌设活塞杆，活塞杆的一端伸出加载油缸后与铰支接头连接，在活塞杆伸出加载油缸的一端上还安装荷载传感器；
作为本发明的进一步优选，在立方体刚性模型箱表面焊接钢板，铰支接头固定在钢板上；
基于所述长大隧道结构拟静力抗震试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：试验装置固定：将液压作动器通过螺栓和钢板固定在呈L型结构设置的反力墙上，立方体刚性模型箱固定在地槽式反力台座上，最后将液压作动器与立方体刚性模型箱侧壁的钢板相连接；
步骤S2：放置柔性材料与碎石：在立方体刚性模型箱的内侧壁紧贴填充聚苯乙烯泡沫塑料垫层，立方体刚性模型箱内部底面上铺设一层碎石；
步骤S3：填充箱体：在立方体刚性模型箱内加入围岩相似材料直至试验所需高度，夯实围岩相似材料，在立方体刚性模型箱内再放置长大隧道结构模型，安装试验测试所需的测试元件后，继续加入围岩相似材料直至立方体刚性模型箱箱顶，将围岩相似材料再次夯实；
步骤S4：预加载：将两组液压作动器与立方体刚性模型箱各层相连接，启动电液伺服阀对液压作动器进行预加载；
步骤S5：测取读数，检查整个试验装置、试件以及仪表工作是否正常，测试各个液压作动器施力大小是否符合结构惯性力分布模式，确定完毕后卸载液压作动器；
步骤S6：正式加载：在加载初期通过力控制，试验装置达到塑性阶段直至破坏时改用位移控制加载，记录长大隧道模型在整个加载过程中的应变、加速度，观测长大隧道模型裂缝的发展情况以及关键破坏位置；
作为本发明的进一步优选，步骤S6中，正式加载时，位于立方体刚性模型箱第二层的液压作动器施加的作用力要大于位于第一层液压作动器施加的作用力；
作为本发明的进一步优选，步骤S6中，在加载初期，位于立方体刚性模型箱第一层和第二层的液压作动器进行施加作用力时，进行分级往复循环加载，当改用位移控制加载时，每一级加载循环时的荷载随位移控制值变化，当某一级加载时的荷载小于峰值荷载的85%时，试验停止。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将立方体刚性模型箱与拟静力试验加载系统相结合，克服了传统振动台试验的台面尺寸限制问题，可在更开阔场地开展大型试验研究，易于实现，方便操作；
2、本发明提供的立方体刚性模型箱结合多个液压作动器进行加载，可以真实模拟长大隧道结构破坏形式，测得结构最大的地震反应；
3、本发明提供的立方体刚性模型箱相较于现有技术中的模型箱，可以放置较大比例尺隧道结构模型，最大化减小由于缩尺模型带来的尺寸效应影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的整体示意图；
图2是本发明提供的优选实施例的前视图；
图3是本发明提供的优选实施例中液压作动器结构示意图；
图4是本发明提供的优选实施例中立方体刚性模型箱俯视图；
图5是本发明提供的优选实施例中立方体刚性模型箱前视图；
图6是本发明中保持结构各作用力比例关系的混合控制拟静力加载示意图。
图中：1为反力墙，2为反力台座，3为地脚螺栓，4为角钢框架，5为钢板，6为木板，7为聚苯乙烯泡沫塑料垫层，8为螺栓，9为围岩相似材料，10为长大隧道结构模型，11为斜向支撑，12为碎石，13为液压作动器，14为位移传感器，15为活塞杆，16为荷载传感器，17为铰支接头，18为铰支基座，19为电液伺服阀，20为立方体刚性模型箱。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如背景技术中阐述的，现有关于长大隧道结构地震模拟振动台试验中缩尺模型容易失真，因此本申请旨在提供一种可以模拟真实地震反应的试验装置，同时将在长大隧道结构地震模拟领域鲜有涉及的拟静力试验应用在本申请中，以更好地模拟长大隧道的地震动力反应。
图1所示即为本申请提供优选实施例，从整体看，包括反力结构、加载结构以及立方体刚性模型箱20。接下来对实施例做一个具体阐述，所述反力结构包括反力台座2和反力墙1，所述反力墙呈L型结构设置，环设在反力台座周围；在试验时，反力墙与反力台座在试验场地浇筑成整体；在反力台座表面放置立方体刚性模型箱，立方体刚性模型箱内放置用于试验模拟的围岩相似材料9以及长大隧道结构模型10。本申请提供的立方体刚性模型箱，相较于现有技术尺寸较大，也就是说本申请指出的大尺寸是相较于常规模型箱定义的，因此可以放置大比例尺隧道结构模型，从而最大化减小由于缩尺模型带来的尺寸效应影响。
图1-图2可知，所述加载结构包括四个液压作动器13，其中两个为一组，分别安装在反力墙的两个墙板上，每组内的两个液压作动器设置后形成的连接线垂直于反力台座；这里为了更好的描述四个液压作动器的分布位置，由于所述立方体刚性模型箱分为两层，定义靠近反力台座的为第一层，位于第一层上方的为第二层，每组液压作动器中位于下方的液压作动器与立方体刚性模型箱的第一层接触，位于上方的液压作动器与第二层接触，四个液压作动器同时工作即可实现水平双向加载。每个液压作动器的一端通过铰支基座18固定在反力墙的墙板上，液压作动器的另一端为施力端，且施力端抵住立方体刚性模型箱的箱壁，具体的，在反力墙上安装液压作动器的位置开设孔洞，螺栓8穿设孔洞固定铰支基座，铰支基座固定液压作动器的一端；液压作动器的施力端通过铰支接头17与立方体刚性模型箱连接。这里还需要单独阐述一下液压作动器的结构，如图3所示，所述液压作动器包括电液伺服阀19、加载油缸以及活塞杆15，加载油缸的封闭端与铰支基座连接，在加载油缸的封闭端还安装位移传感器14，加载油缸的筒壁上安装电液伺服阀，在加载油缸内嵌设活塞杆，活塞杆的一端伸出加载油缸后与铰支接头连接，在活塞杆伸出加载油缸的一端上还安装荷载传感器16，电液伺服阀控制液压作动器的运行，将电流信号转换为阀芯的机械运动，通过阀芯的机械运动调节电液伺服阀的输出和输入流量及压力；系统开始工作时，电液伺服阀发送电流信号输入到加载油缸，驱动加载油缸活塞运动，开始加载后，通过位移传感器和荷载传感器测得的信号会返回到控制装置，从而通过电液伺服阀再次调节，依次循环；在立方体刚性模型箱表面焊接钢板5，铰支接头固定在钢板上。
本申请中为何要将四个液压作动器按照此种方式排布，是因为多个液压作动器同时加载时，可以模拟等效地震荷载在结构上的作用，实现不同的力和位移分布方式，从而测得具有不同力学特征的层恢复力曲线，真实地模拟结构实际破坏形式；水平双向加载模式可以模拟结构承受双向地震动作用，考虑结构在两种方向上受力性能存在的耦合作用，测得结构最大地震反应。
从图2中可以看出，所述立方体刚性模型箱的整个箱体为角钢框架4，图4可以看出，其平面形状为矩形，整体结构呈长立方体状，底面为钢板，钢板与角钢框架焊接；所述反力台座为钢筋混凝土厚板，其在浇筑时预留槽道，在钢板上预留孔洞，地脚螺栓3穿设孔洞与反力台座表面的槽道可移动连接，使得立方体刚性模型箱的位置可以根据不同试验需求进行调整。
角钢框架内衬木板6，在立方体刚性模型箱的内侧壁贴合填充聚苯乙烯泡沫塑料垫层7，可以增加整个模型箱体的柔性。图5所示，为了保证立方体刚性模型箱箱体的稳固性，增强立方体刚性模型箱抵抗变形的能力，所述角钢框架的框架侧壁上焊接斜向支撑11。
接着本申请提供一种基于上述实施例的试验方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：试验装置固定：将液压作动器通过螺栓和钢板固定在呈L型结构设置的反力墙上，立方体刚性模型箱固定在地槽式反力台座上，最后将液压作动器与立方体刚性模型箱侧壁的钢板相连接；
步骤S2：放置柔性材料与碎石12：在立方体刚性模型箱的内侧壁紧贴填充聚苯乙烯泡沫塑料垫层，以提高立方体刚性模型箱箱体柔性，真实反映土体在地震作用下的剪切变形；立方体刚性模型箱内部底面上铺设一层碎石，以增大摩擦力；
步骤S3：填充箱体：在立方体刚性模型箱内加入围岩相似材料直至试验所需高度，夯实围岩相似材料，在立方体刚性模型箱内再放置长大隧道结构模型，安装试验测试所需的测试元件（测试元件包括加速度传感器、应变片等测试元件，这些元件安装在立方体刚性模型箱内，通过控制系统整体监测控制）后，继续加入围岩相似材料直至立方体刚性模型箱箱顶，将围岩相似材料再次夯实；本申请中提供的围岩相似材料由石膏、石英砂、氧化锌、甘油、硫酸钡和水制成；模型相似材料为素石膏和水，模型大小应尽可能满足模型箱尺寸，与内壁四周保有一定距离；
步骤S4：预加载：将两组液压作动器与立方体刚性模型箱各层相连接，启动电液伺服阀对液压作动器进行预加载；
步骤S5：测取读数，检查整个试验装置、试件以及仪表工作是否正常，测试各个液压作动器施力大小是否符合结构惯性力分布模式，确定完毕后卸载液压作动器；
步骤S6：正式加载：在加载初期通过力控制，试验装置达到塑性阶段直至破坏时改用位移控制加载，记录长大隧道模型在整个加载过程中的应变、加速度，观测长大隧道模型裂缝的发展情况以及关键破坏位置。
在步骤S6中，正式加载时，每个加载方向上竖向排列的液压作动器所施加的力不同，从而考虑模型箱各层之间力比例关系，以研究结构在地震力作用下的破坏形式，因此本申请中设定位于立方体刚性模型箱第二层的液压作动器施加的作用力要大于位于第一层液压作动器施加的作用力，最终试验荷载形成如图6所示的倒三角型侧向力分布模式，以模拟结构在地震作用下的惯性力分布，这里需要重点阐述的是，从图6中可以看出，所谓的倒三角型结构是因为施力大小的不同，因为设定了上层的液压作动器施加力大于下层的液压作动器施加力，因此形成了上方施加力相较于下方施加力大的现象，从而使得模拟更加贴合地震作用下结构的真实惯性力分布情况。
在加载初期，位于立方体刚性模型箱第一层和第二层的液压作动器进行施加作用力时，进行分级往复循环加载，当改用位移控制加载时，每一级加载循环时的荷载随位移控制值变化，当某一级加载时的荷载小于峰值荷载的85%时，试验停止。需要注意的是，前述位移控制加载时应保证惯性力比例关系不变。
综上可知，本申请提供的长大隧道结构拟静力抗震试验装置，将隧道结构振动台试验模型箱与拟静力试验加载系统相结合，克服了传统振动台试验的台面尺寸限制问题，可在更开阔场地开展大型试验研究，易于实现，方便操作。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种长大隧道结构拟静力抗震试验装置，其特征在于：包括反力结构、加载结构以及立方体刚性模型箱；
所述反力结构包括反力台座和反力墙，所述反力墙呈L型结构设置，环设在反力台座周围；
在反力台座表面放置立方体刚性模型箱，立方体刚性模型箱内放置用于试验模拟的围岩相似材料以及长大隧道结构模型；
所述加载结构包括四个液压作动器，其中两个为一组，分别安装在反力墙的两个墙板上，每组内的两个液压作动器设置后形成的连接线垂直于反力台座；
每个液压作动器的一端通过铰支基座固定在反力墙的墙板上，液压作动器的另一端为施力端，且施力端抵住立方体刚性模型箱的箱壁。
2.根据权利要求1所述的长大隧道结构拟静力抗震试验装置，其特征在于：所述立方体刚性模型箱分为两层，定义靠近反力台座的为第一层，位于第一层上方的为第二层，每组液压作动器中位于下方的液压作动器与立方体刚性模型箱的第一层接触，位于上方的液压作动器与第二层接触。
3.根据权利要求2所述的长大隧道结构拟静力抗震试验装置，其特征在于：所述立方体刚性模型箱的整个箱体为角钢框架，底面为钢板，钢板与角钢框架焊接；
所述反力台座为钢筋混凝土厚板，其在浇筑时预留槽道，在钢板上预留孔洞，地脚螺栓穿设孔洞与反力台座表面的槽道可移动连接；
角钢框架内衬木板，在立方体刚性模型箱的内侧壁贴合填充聚苯乙烯泡沫塑料垫层。
4.根据权利要求3所述的长大隧道结构拟静力抗震试验装置，其特征在于：所述角钢框架的框架侧壁上焊接斜向支撑。
5.根据权利要求1所述的长大隧道结构拟静力抗震试验装置，其特征在于：在反力墙上安装液压作动器的位置开设孔洞，螺栓穿设孔洞固定铰支基座，铰支基座固定液压作动器的一端；
液压作动器的施力端通过铰支接头与立方体刚性模型箱连接。
6.根据权利要求5所述的长大隧道结构拟静力抗震试验装置，其特征在于：所述液压作动器包括电液伺服阀、加载油缸以及活塞杆，加载油缸的封闭端与铰支基座连接，在加载油缸的封闭端还安装位移传感器，加载油缸的筒壁上安装电液伺服阀，在加载油缸内嵌设活塞杆，活塞杆的一端伸出加载油缸后与铰支接头连接，在活塞杆伸出加载油缸的一端上还安装荷载传感器。
7.根据权利要求5所述的长大隧道结构拟静力抗震试验装置，其特征在于：在立方体刚性模型箱表面焊接钢板，铰支接头固定在钢板上。
8.基于权利要求1-7任一所述长大隧道结构拟静力抗震试验装置的试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：试验装置固定：将液压作动器通过螺栓和钢板固定在呈L型结构设置的反力墙上，立方体刚性模型箱固定在地槽式反力台座上，最后将液压作动器与立方体刚性模型箱侧壁的钢板相连接；
步骤S2：放置柔性材料与碎石：在立方体刚性模型箱的内侧壁紧贴填充聚苯乙烯泡沫塑料垫层，立方体刚性模型箱内部底面上铺设一层碎石；
步骤S3：填充箱体：在立方体刚性模型箱内加入围岩相似材料直至试验所需高度，夯实围岩相似材料，在立方体刚性模型箱内再放置长大隧道结构模型，安装试验测试所需的测试元件后，继续加入围岩相似材料直至立方体刚性模型箱箱顶，将围岩相似材料再次夯实；
步骤S4：预加载：将两组液压作动器与立方体刚性模型箱各层相连接，启动电液伺服阀对液压作动器进行预加载；
步骤S5：测取读数，检查整个试验装置、试件以及仪表工作是否正常，测试各个液压作动器施力大小是否符合结构惯性力分布模式，确定完毕后卸载液压作动器；
步骤S6：正式加载：在加载初期通过力控制，试验装置达到塑性阶段直至破坏时改用位移控制加载，记录长大隧道模型在整个加载过程中的应变、加速度，观测长大隧道模型裂缝的发展情况以及关键破坏位置。
9.根据权利要求8所述长大隧道结构拟静力抗震试验装置的试验方法，其特征在于：步骤S6中，正式加载时，位于立方体刚性模型箱第二层的液压作动器施加的作用力要大于位于第一层液压作动器施加的作用力。
10.根据权利要求9所述长大隧道结构拟静力抗震试验装置的试验方法，其特征在于：步骤S6中，在加载初期，位于立方体刚性模型箱第一层和第二层的液压作动器进行施加作用力时，进行分级往复循环加载，当改用位移控制加载时，每一级加载循环时的荷载随位移控制值变化，当某一级加载时的荷载小于峰值荷载的85%时，试验停止。
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