CN204064598U - 振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置 - Google Patents

Abstract

振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置属于土木工程技术领域。本装置由悬挂支架和模型箱组成，在箱体的下面设置由步进电机带动的预应力调节机构，在悬吊箱体的索或膜上面设置测力计，在箱体的模型土体中设置加速度传感器。测力计接到由计算机构成的控制台，加速度传感器接到振型测试仪，振型测试仪接到控制台，控制台接到步进电机。本装置能够随模型土性能调整模型箱体中预应力值，使模型箱与模型土在地震激励作用下的运动形态一致，从而消弱模型箱对模型土动力的影响。同时，在模型箱体内侧采取减小模型土与模型箱摩擦的措施，减小模型箱对模型土竖向变形的影响，在模型箱底部采取增大模型土与模型箱摩擦的措施，模拟原型土层与基岩的接触。

Description

振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置

技术领域

本实用新型属于土木工程技术领域，涉及一种用于地下结构振动台试验的可调的地层振动模型箱装置。 

背景技术

在振动台模型试验中，常常用有限尺寸的模型箱内装模型土来模拟原型无限土域。这样，由于其边界上的波动反射以及体系振动形态的变化将会给试验结果带来一定的误差，即所谓的“模型箱效应”。为了消除模型箱效应，将模型箱设计成层状剪切型结构，以保证模型箱内模型土做层状剪切变形。实用新型专利《悬挂式多维输入水平多向剪切模型箱装置》(授权公告号：CN201110350064.0)公开了一种多层的柔性模型实验箱，该模型箱虽不会与模型土产生共振，且模型箱在模型土的作用下运动，但在模型土装箱过程中，由于模型箱体环与环间的侧向刚度很小，在模型土装箱过程中，模型箱体环与环间常常会发生错动，保证模型箱的垂直度需要采用特制的装置，同时在模型土密实过程中，往往使用振捣、压实等措施，会出现土体局部受力较大的情况，使模型箱的某个环在土的侧向压力作用下而偏离模型箱的竖向中轴线；同时在振动台试验过程中，由于模型箱的水平向刚度很小，模型箱体虽在每个环的高度范围内能够提供足够的侧向刚度，而在环与环的连接部位钢索的水平向抗剪刚度不足，在振动台试验中，出现某一环的水平位移忽然大于上下相邻环的情况。实用新型专利《一种用于地下结构振动台试验的大型层状剪切模型箱装置》(授权公告号：CN201173884 Y)公开一种单向剪切模型箱装置，该装置使用侧限板为上下能够滑动的水平封闭钢框架间提供水平剪切刚度，但该方法并不适用于多向剪切模型箱。 

现有的层状剪切模型箱为防止在振动台试验中模型土从平面框架的层与层间外漏，通常在模型土与模型箱体内侧设置一层橡胶膜，但是在振动台试验过程中，橡胶膜与模型土间形成通缝，尤其是当模型土为饱和土时，空隙水从该通缝中上涌，严重影响了试验结构的有效性。 

现有模型箱的振型是固定不变的，而对于模型土体，不同的试验大多采用不同的模型土；相同的模型土，在装箱时，因操作工艺的不同，模型土的动力性能也会不同；即使是同一次装箱的模型土，在振动台试验过程中，模型土自身的动力性能也随着输入荷载的变化而改变，尤其是在地下结构的破坏性试验中，模型地基动力性能将发生很大的变化。对于具有不同动力性能的模型土，采用动力性能不变的同一个模型箱，必然导致模型箱的振动形态与模型地基的振动形态不一致，从而影响振动台试验中模型地基的动力反应，将对试验造成一些误差。 

现有模型箱均没有考虑模型箱体对模型土竖向变形的影响。在地震作用下，原型自由场地土竖直方向运动并没有收到任何约束，在振动台试验中如果不消除模型箱内壁对模型土的摩擦力，必然导致箱体附近的模型土的竖向运动不能有效模拟原型土层的竖向运动。 

现有模型箱均没有考虑模型箱体底板与模型土的接触问题，理想的模型箱应能有效的模 拟原型场地土与基岩面的接触，若不考虑该影响，而直接将模型土置于模型箱底板上，在振动台试验中，必然在模型土与模型箱底板接触处形成剪切带，而不能有效模拟原型场地土与基岩面接触关系。 

现有的模型箱仅从模型箱与模型土不发生共振和保证模型土产生剪切变形的角度设计模型箱，均未考虑模型箱对模型土竖向变形的影响，也没有考虑如何模拟原型土层与基岩之间的接触问题。未考虑模型箱的振动形态与模型土的振动形态的差异，更没有考虑通过调整模型箱的动力性能，使模型箱的动力性能在振动台试验中随模型土动力性能的变化而变化，以最大限度的消弱模型箱对模型土振动响应的影响。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种通过施加预应力的方式，并随模型土体性能不同而调整钢索中预应力值来消弱模型箱对模型土动力反应影响的可调式多向剪切模型箱装置，同时考虑消弱模型箱体对模型土竖向变形的影响和有效模拟模型土与模型箱底板接触的问题，以克服上述现有实验箱的不足。 

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置，由围墙形悬挂支架和底部安装于振动台、顶部悬挂于悬挂支架内的模型箱组成；所述模型箱由10层以上的层面结构及刚性的梁架和刚性的底板组成，该层面结构形状相同，各层面结构垂直等间距平行排列，由六条以上的均匀布置的膜带或索串接，膜带或索顶部固定在所述梁架上，底端连接在所述底板上；所述梁架通过均匀布置的三组以上的万向节机构架在所述悬挂支架上，该万向节机构中设有高度调节机构；所述悬挂支架为刚性围墙，安装在所述底板上；所述底板与振动台面固定在一起；在各所述膜带或索与所述底板之间通过丝杆伸缩机构连接，该丝杆伸缩机构由步进电机带动运行；在各所述膜带或索的与所述梁架连接处设置有测力计；在模型箱中土体的中心，沿高度方向从土体底部到土体顶部均匀布置至少四个加速度传感器，该加速度传感器的输出接入振型测试仪；所述测力计的输出和所述振型测试仪的输出接到计算机构成的控制台，该控制台的输出接到所述步进电机。本方案在施加预应力前，模型箱各层层面结构间的水平刚度很小，而随着施加预应力的增大，模型箱的自振频率增大的幅度极小，而模型箱水平方向各层层面结构间的抗剪刚度增大，而模型箱的自振频率很小，不会与模型土体产生共振。用相应软件计算出模型箱的振型，选试验过程中模型箱内模型土中部测点的振型幅值为控制点，依据模型箱振型与预应力大小的关系，调整膜或索的预应力的值，使模型箱的基本振型与模型土的基本振型一致，得出此时施加的预应力值，与测力计所测的实际的预应力值作比较，得到控制步进电机的信号。 

所述层面结构为平面结构的铝合金框架或者薄壁型钢框架。其中铝合金框架可以为中空铝合金封闭圆环。这种中空铝合金封闭圆环如果用膜带来连接的话，可以采用沿中空铝合金封闭圆环均匀布置的六条以上的PVC膜带的形式；如果用索来连接的话，可以采用沿中空铝合金封闭圆环均匀布置的六条以上的钢索。 

为了减小模型箱体对模型土竖向变形的影响和解决模型土与模型箱底板的接触问题，采取如下措施： 

所述模型箱内侧面与土体之间设有减小摩擦的层面；在模型箱底板黏贴碎石、卵石或土粒。 

所述减小摩擦的层面为在所述层面结构内侧喷涂铁氟龙涂料，形成铁氟龙涂层；或者在所述层面结构内侧喷涂润滑油 

为了防止橡胶膜与模型土间形成通缝，采取如下措施： 

在所述模型箱内侧面与土体之间设有橡胶膜，并用橡胶沥青粘合剂或其它粘合剂将模型土粒粘在橡胶膜与模型土接触的面上。 

本实用新型具有以下有益效果及优点：与现有的抗震模型实验箱比，本实用新型中通过索(膜)将各层面结构串联，并固定在悬挂支架和刚性底板之间，并通过调整索(膜)中的预应力的大小，来改变模型箱的水平刚度，进而使模型箱的振型与模型土的振型一致。不仅保证了模型土体的水平方向发生剪切变形，而且使模型箱与模型土在振动台输入地震激励作用下的运动形态一致，极大限度地削弱了模型箱体对模型土动力反应的影响。同时，在振动台试验过程中，通过改变模型箱钢索中的预应力值，使模型箱的振型与模型土的振型一致，即使是在地下结构的破坏性试验中，都能保证模型箱的振动形态与模型土的振动形态的一致性，模型土体处于不同物理状态时，均能使模型箱对其动力响应影响极小。在铝合金框架的内表面喷涂减小摩擦的涂层或涂抹润滑油，减小模型箱体对模型土体竖向位移的影响。模型箱底板用胶结材料粘结卵石或碎石，有效模拟原型地基与结构之间的接触面。在所述模型箱内壁设置一层橡胶膜以防止模型土体外漏，同时用粘合剂将模型土粒粘在橡胶膜与模型土接触的面上，使橡胶膜与模型土接触良好，以防止橡胶膜与模型土体之间形成通缝，避免模型土中的水沿形成的通缝上涌。 

附图说明

图1为本实用新型振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置一个实施例的主视图； 

图2为图1所示实施例的俯视图； 

图3为图1所示实施例1-1向剖面图； 

图4为图1所示实施例的装置中的万向节机构结构示意图； 

图5为图1所示实施例的装置中的丝杆伸缩机构结构示意图。 

图中，1、梁架，2、万向脚轮或万向节，3、竖向隔振支座，4、高度可调节螺栓，5刚性围墙，6、中空铝合金封闭圆环，7、底板，8、膜带或索，9、钢垫板，10、槽钢梁，11、测力计，12、丝杆伸缩机构，13、丝杆，14、螺母，15、套筒，16、橡胶膜，17、碎石。 

具体实施方式

下面通过一个实施例进一步说明本实用新型。 

本实施例中的模型箱由18个层面结构及刚性的梁架(如钢梁)和刚性的底板(如钢板与钢筋混凝土组合底板)组成，其中的层面结构采用圆形的中空铝合金封闭圆环7，各层面结构垂直等间距平行排列，由六条均匀布置的膜带或索8串接，膜带或索8悬挂于梁架1上。所述梁 架1通过均匀布置的六组万向节机构架在悬挂支架上，所述悬挂支架为刚性围墙5，围在模型箱的层面结构四周，并固定在模型箱的底板7上。所述膜带或索8的下部通过丝杆伸缩机构12与固定在模型箱底板的槽钢梁10连接；膜带或索8的上部通过测力计11与模型箱的梁架1连接。在振动台试验过程中,在模型箱中部的模型土内沿土体高度均匀布置四个加速度传感器。 

其中的万向节机构中设有高度调节机构，如图4，万向脚轮或万向节2设置在竖向隔振支座3上，竖向隔振支座3下面设置高度可调节螺栓4；高度可调节螺栓4设置在钢垫板9上。 

其中的丝杆伸缩机构12如图5所示，槽钢架10与模型箱的底板焊接在一起，槽钢架10的侧面焊接套筒15，丝杆13穿过套筒15，丝杆13的上端与膜带或索8连接，丝杆13的下部套有与丝杆螺纹配合的调节螺母14，调节螺母14由步进电机带动旋转。 

所述的测力计11接到由计算机构成的控制台；所述的加速度传感器接到振型测试仪，振型测试仪的输出接到控制台；控制台输出控制信号到所述步进电机。 

在所述模型箱内壁设置一层橡胶膜16，同时用橡胶沥青粘合剂将模型土粒粘在橡胶膜16与模型土接触的面上。在中空铝合金封闭圆环6的内表面喷涂铁氟龙涂料，形成铁氟龙涂层。模型箱底板7上用水泥浆粘结碎石17。 

以上构成了本实用新型振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置。 

利用本装置并配合相应的程序，可以对悬挂模型箱的钢索(膜)施加预应力，为模型箱层与层之间提供抗剪刚度，并通过调整所施加预应力大小的方式，来改变模型箱的振型，以使模型箱在水平各个方向上有足够的水平刚度，也能保证模型土在振动台试验中发生剪切变形，且能根据模型土的动力特性，调整模型箱的振型，使模型箱的基本振型与模型土体的基本振型一致，同时利用模型箱的自振频率远远小于模型土的自振频率，来消弱模型箱对模型土动力反应的影响。本实用新型根据模型土的动力性能调整模型箱的动力性能，实现了模型箱的振动形态接近模型土体振动形态，并在试验过程中使模型箱的振动形态随模型土振动形态的改变而改变，进一步消弱了模型箱效应。同时，用橡胶沥青粘合剂将模型土粒粘在橡胶膜与模型土接触的面上，使橡胶膜与模型土接触良好，以防止橡胶膜与模型土体之间形成通缝，避免模型土中的水沿形成的通缝溢出。在中空铝合金封闭圆环的内表面喷涂减小摩擦的涂层或涂抹润滑油，减小模型箱对模型土体竖向位移的影响，以有效模拟土体的竖向变形。模型箱底板用胶凝材料粘结碎石或卵石，以有效模拟原型地基与结构之间的接触面。以上措施使模型箱和模型土组成的模型体系更有效的模拟原型土层的地震响应。 

Claims (9)

1.振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置，由围墙形悬挂支架和底部安装于振动台、顶部悬挂于悬挂支架内的模型箱组成；所述模型箱由10层以上的层面结构及刚性的梁架和刚性的底板组成，该层面结构形状相同，各层面结构垂直等间距平行排列，由六条以上的均匀布置的膜带或索串接，膜带或索顶部固定在所述梁架上，底端连接在所述底板上；所述梁架通过均匀布置的三组以上的万向节机构架在所述悬挂支架上，该万向节机构中设有高度调节机构；所述悬挂支架为刚性围墙，安装在所述底板上；所述底板与振动台面固定在一起；其特征在于：在各所述膜带或索与所述底板之间通过丝杆伸缩机构连接，该丝杆伸缩机构由步进电机带动运行；在各所述膜带或索的与所述梁架连接处设置有测力计；在模型箱中土体的中心，沿高度方向从土体底部到土体顶部均匀布置至少四个加速度传感器，该加速度传感器的输出接入振型测试仪；所述测力计的输出和所述振型测试仪的输出接到计算机构成的控制台，该控制台的输出接到所述步进电机。 

2.如权利要求1所述的振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置，其特征在于：所述层面结构为平面结构的铝合金框架或者薄壁型钢框架。 

3.如权利要求2所述的振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置，其特征在于：所述铝合金框架为中空铝合金封闭圆环。 

4.如权利要求3所述的振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置，其特征在于：所述膜带为沿中空铝合金封闭圆环均匀布置的六条以上的PVC膜带。 

5.如权利要求3所述的振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置，其特征在于：所述索为沿中空铝合金封闭圆环均匀布置的六条以上的钢索。 

6.如权利要求1-5中任一项所述的振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置，其特征在于：所述模型箱内侧面与土体之间设有减小摩擦的层面；在模型箱底板黏贴碎石、卵石或土粒。 

7.如权利要求6所述的振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置其特征在于：所述减小摩擦的层面为在所述层面结构内侧喷涂铁氟龙涂料，形成铁氟龙涂层。 

8.如权利要求6所述的振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置其特征在于：所述减小摩擦的层面为在所述层面结构内侧喷涂润滑油。 

9.如权利要求7或8所述的振动台试验用可调式地层振动剪切模型箱装置其特征在于：所述模型箱内侧面与土体之间设有橡胶膜，并用水泥浆或其它粘合剂将模型土粒粘在橡胶膜与模型土接触的面上。