CN207991962U - 一种多功能三维可视结构界面的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能三维可视结构界面的实验装置，包括反力框架，在所述反力框架内设有多介质实验模型，在多介质实验模型外设有可视边界罩，在多介质实验模型上端加装有柔性加载气囊和刚性加载平板，所述柔性加载气囊连接刚性加载平板，所述多介质实验模型通过多角度横向加载系统施加横向的荷载，所述刚性加载平板或柔性加载气囊通过反力框架上的竖向液压系统施加竖向的荷载，在多介质实验模型的介质内部、表面以及接触面上预埋测量传感器组件，本实用新型结构新颖，可以同时在简单和较复杂荷载条件下，测得结构体内及接触面上的应力—应变分布规律，解决了以往结构体内力及接触面应力分布难以测得的难题。

Description

一种多功能三维可视结构界面的实验装置

技术领域

本实用新型涉及模拟实验技术领域，具体为一种多功能三维可视结构界面的实验装置。

背景技术

在土木工程中，常常遇到土体与结构的相互作用问题。土与结构接触面力学特性研究一直是土木和岩土领域的重要课题之一，是解决土与结构相互作用的前提。由于研究涉及土力学和基础工程的多个方面，所以具有极大的难度。

由于受到结构的约束作用使得土与结构的交界处的力学特性与一般土体不同的区域称之为土与结构的接触面。土与结构系统在受力变形过程中，土体和结构之间发生了复杂的相互作用，结构对于土体的约束作用导致接触面的力学特性不同于其他区域土体的力学特性，同时接触面的力学响应对结构的受力变形也会造成重要影响。重大工程对土体与结构系统的变形控制要求相对较高，需要建立合理的方法加以计算分析与评价，以提高工程的设计水平。提高对土与结构接触面力学特性的认知水平和模拟能力是至关重要的。

正确地分析接触面上的受力变形机理和剪切破坏的发展,并进行合理的计算,对结构的安全是至关重要的。正是由于接触面在土工结构中扮演着重要的角色,已有的土与结构接触面实验研究多集中在二维加载条件下的接触面力学特性，实际工程中接触面的受载条件大多为三维的，即接触面的剪应力方向在剪切过程中不断变化，而针对粗粒土与较粗糙结构面的大型三维接触面的实验手段目前较为缺乏。土与结构接触面的变形的主要原因在于土体与结构之间的相对剪切。

随着研究的深入及大型建筑的兴建，常规的剪切仪尺寸有些偏小，并且加载及量测采集设备也不能满足要求。虽然近年来国内外学者在土与结构接触面力学特性的研究中取得了很多成果，但仍存在诸多问题有待进一步研究。首先，以往所进行的土与结构接触面实验，主要集中在粘土、砂土、粗粒土的研究上，且多以静力实验为主，动力实验比较少见。其次，当前国内对三维土与结构接触面的研究较少不够深入，并且对复杂应力路径下接触面附近土体的力学特性、切向法向祸合作用以及接触面微观破坏机理等方面的认识也不够明确。再次，对于当前较为常用的各种接触面单元参数的选取以及参数的影响程度有待于进一步研究，同时当前数值计算中可选择的土与结构接触面动力本构模型较少，且土与结构接触面在动力作用下的力学特性研究也不够充分。最后就是对于接触面厚度的确定还应进一步研究。

如土木工程、岩土工程、桥梁工程、水利工程、矿业工程中的建筑物、构筑物，在上部结构、下部基础与地基的相互作用下，需要解决结构体内力及接触面应力分布难以测得的难题。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足,本实用新型提供一种多功能三维可视结构界面的实验装置及其方法，可以同时在简单静力和较复杂的动力荷载条件下，测得结构体内及接触面上的应力—应变分布规律，同时边界加载针对不同类型的岩土体具有刚性与柔性两种加载方式，能有效的解决背景技术提出的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多功能三维可视结构界面的实验装置，包括反力框架，在所述反力框架内设有多介质实验模型，其特征在于，在多介质实验模型外设有可视边界罩，在多介质实验模型上端加装有柔性加载气囊和刚性加载平板，所述柔性加载气囊连接刚性加载平板，所述多介质实验模型通过多角度横向加载系统施加横向的荷载，所述刚性加载平板或柔性加载气囊通过反力框架上的竖向液压系统施加竖向的荷载，在多介质实验模型的介质内部、表面以及接触面上预埋测量传感器组件。

进一步地，所述多介质实验模型的下端还设置有柔性承压囊，所述柔性承压囊连接有刚性承压板。

进一步地，所述可视边界罩为刚性材质或柔性材质。

进一步地，所述多介质实验模型包括从上至下设置在可视边界罩内的上部结构模型、基础模型和地基模型。

进一步地，所述测量传感器组件包括设在多介质实验模型内部的介质内传感器、设置在多介质实验模型的接触面上的界面传感器以及设置在多介质实验模型侧面的表贴感应片。

进一步地，还包括：可变化角度接触面剪切装置，横向倾斜剪切穿插在多介质实验模型内，用于提供横向荷载；

所述反力框架是由上支板和下支座以及连接在上支板和下支座之间的四根升降杆组成。

进一步地，所述可变化角度接触面剪切装置提供横向荷载的方式是通过纵向荷载的施加，根据可变化角度接触面剪切装置倾斜的角度将纵向力分解部分为横向力。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型结构新颖，可以同时在简单和较复杂荷载条件下，测得结构体内及接触面上的应力—应变分布规律，解决了以往结构体内力及接触面应力分布难以测得的难题，同时通过边界加载采用刚性与柔性两种加载边界，针对不同类型的岩土体，实现了等应力加载和等应变加载，通过对结构体系的三部分在外荷载作用下，测量结构体内和界面的应力及应变的分布规律，为理论模型的建立和数值模拟提供基础数据。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中横向加载示意图。

图中标号：

1-反力框架；2-多介质实验模型；3-可视边界罩；4-柔性加载气囊；5- 刚性加载平板；6-竖向液压系统；7-柔性承压囊；8-刚性承压板；9-可变化角度接触面剪切装置；10-上支板；11-下支座；12-升降杆。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种多功能三维可视结构界面的实验装置，包括反力框架1，在反力框架1内设有多介质实验模型2，其特征在于，在多介质实验模型2外设有可视边界罩3，可视边界罩3为刚性材质或柔性材质，在多介质实验模型2上端加装有柔性加载气囊4和刚性加载平板5，柔性加载气囊4连接刚性加载平板5，多介质实验模型2通过多角度横向加载系统施加横向的荷载，刚性加载平板5或柔性加载气囊4通过反力框架1上的竖向液压系统6施加竖向的荷载，在多介质实验模型2的介质内部、表面以及接触面上预埋测量传感器组件，其中反力框架1上的竖向液压系统6具体为油缸，油缸的活塞杆穿过反力框架1的上端部分与刚性加载平板5相接并施加荷载，为刚性加载方式，使得多介质实验模型2在等位移条件下受力，也可以通过柔性加载气囊4采用气压的形式加压，为柔性加载方式，使得多介质实验模型2在等应力下受压。

上述中，多介质实验模型2指的是用于物理力学菜蔬实验的力学模型，在多介质实验模型2外安装的可视边界罩3采用透明刚性或柔性材料作为测试边界，模拟半无限空间边界条件，可以在测试边界的表面表贴传感器或者标记，通过高速摄影等技术，可以测到力学模型在受荷载作用下的连续变形全过程，得到应力-应变曲线及强度参数指标，其中半无限空间边界是通过增加可视实验刚性边界罩来模拟的实验边界条件，其中可视边界罩3是具有一定变形能力，以适应实验过程中力学模型的变形。

多角度横向加载系统是采用液压或者气压的方式在多介质实验模型2的侧面上施加不同角度的荷载，属于实验外用现有液压或气压设备。

多介质实验模型2的下端还设置有柔性承压囊7，柔性承压囊7连接有刚性承压板8，也可以通过底部的底板柔性加载承压囊施加荷载，通过底板刚性承压板8固定，实现上下双向施荷，更有利于实验的准确性。

多介质实验模型2包括从上至下设置在可视边界罩3内的上部结构模型、基础模型和地基模型；测量传感器组件包括设在多介质实验模型2内部的介质内传感器、设置在多介质实验模型2的接触面上的界面传感器以及设置在多介质实验模型2侧面的表贴感应片。

在本实施方式中：

(1)上部结构：是指建筑物本体；

(2)基础：是建筑物地面以下的承重构件，它支撑着其上部建筑物的全部荷载，并将这些荷载及基础自重传给下面的地基。基础必须坚固、稳定而可靠；

(3)地基：是承受由基础传下来的荷载的土体或岩体，建筑物必须建造在坚实可靠的地基上。为保证地基的坚固、稳定和防止发生加速沉降或不均匀沉降，地基应满足以下要求：有足够的承载力，有均匀的压缩量，以保证有均匀的下沉；有防止产生滑坡、倾斜方面的能力。

(4)接触面：上部结构与基础之间存在的界面，以及基础与地基之间存在的界面。

本实施方式中，介质内传感器和界面传感器为应变式传感器，表贴感应片为位移传感器或标志点，可通过高速摄影的方式对施加荷载后力学模型位移进行实时测试。

在本实施方式中接触面指的是上部结构模型和基础模型之间的界面、基础模型和地基模型之间的界面。

如图2所示，本发明还包括：可变化角度接触面剪切装置，横向倾斜剪切穿插在多介质实验模型内，用于提供横向荷载；所述反力框架1是由上支板10和下支座11以及连接在上支板10和下支座11之间的四根升降杆12组成。

本实施方式中，可变化角度接触面剪切装置9可以是横向倾斜穿插在多介质实验模型内的一个刚性界面，具体可以是一个界面剪切板，其倾斜的角度一般为30至60度，角度调整的方式通过反力框架来实现，具体通过升降杆12的上下升降作用来调整可变化角度接触面剪切装置9放置的位置以及倾斜角度。

可变化角度接触面剪切装置9提供横向荷载的方式是通过纵向荷载的施加，根据可变化角度接触面剪切装置9倾斜的角度将纵向力分解部分为横向力。

基于上述实验装置的具体操作方法，包括如下步骤：

步骤S100、制作三种力学模型：上部结构模型、基础模型和地基模型；

步骤S200、制作力学模型的同时，在力学模型内部设置介质内传感器，在力学模型的接触面上设置界面传感器，在力学模型侧面设置表贴感应片，表贴感应片采用高速摄影的方式对施加荷载后力学模型位移进行实时测试；

步骤S300、对三种力学模型的物理力学性质进行测试，得到相应的静态指标，判断是否符合实验要求的强度指标；

步骤S400、将符合强度指标的三种力学模型放置在预设位置，采用液压或气压的方式在垂直方向、水平方向或者水平垂直两个方向同时施加荷载；

步骤S500、根据实验设计的荷载级别，调整施加荷载的大小，使得其中任意一个力学模型从弹性状态到破坏为止；

步骤S600、构建介质内传感器、界面传感器和标贴感应片分别得到的上部结构内部、接触面和地基模型的应力分布规律，以及应力应变的关系；并对所得数据通过数学软件进行分析处理，得到不同级别相对应的力学指标。

在本实施方式中，其中基础模型为浅基础模型或深基础模型，浅基础模型为独立基础、十字交叉基础和片筏基础中的任意一种；深基础模型为桩基础或箱型基础；

并且当基础模型为浅基础模型时，介质内传感器需根据分层铺设在力学模型内，并且每一层都需达到实验规定的力学强度指标；

当基础模型为深基础模型时，介质内传感器设置在深基础模型的内部和外表面。

综上，本实用新型的主要特点在于：本实用新型结构新颖，可以同时在简单和较复杂荷载条件下，测得结构体内及接触面上的应力—应变分布规律，解决了以往结构体内力及接触面应力分布难以测得的难题，同时通过边界加载采用刚性与柔性两种加载边界，针对不同类型的岩土体，实现了等应力加载和等应变加载，通过对结构体系的三部分在外荷载作用下，测量结构体内和界面的应力及应变的分布规律，为理论模型的建立和数值模拟提供基础数据。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种多功能三维可视结构界面的实验装置，包括反力框架，在所述反力框架内设有多介质实验模型，其特征在于，在多介质实验模型外设有可视边界罩，在多介质实验模型上端加装有柔性加载气囊和刚性加载平板，所述柔性加载气囊连接刚性加载平板，所述多介质实验模型通过多角度横向加载系统施加横向的荷载，所述刚性加载平板或柔性加载气囊通过反力框架上的竖向液压系统施加竖向的荷载，在多介质实验模型的介质内部、表面以及接触面上预埋测量传感器组件。

2.根据权利要求1所述的多功能三维可视结构界面的实验装置，其特征在于，所述多介质实验模型的下端还设置有柔性承压囊，所述柔性承压囊连接有刚性承压板。

3.根据权利要求1所述的多功能三维可视结构界面的实验装置，其特征在于，所述可视边界罩为刚性材质或柔性材质。

4.根据权利要求1所述的多功能三维可视结构界面的实验装置，其特征在于，所述多介质实验模型包括从上至下设置在可视边界罩内的上部结构模型、基础模型和地基模型。

5.根据权利要求1所述的多功能三维可视结构界面的实验装置，其特征在于，所述测量传感器组件包括设在多介质实验模型内部的介质内传感器、设置在多介质实验模型的接触面上的界面传感器以及设置在多介质实验模型侧面的表贴感应片。

6.根据权利要求1所述的多功能三维可视结构界面的实验装置，其特征在于，还包括：

可变化角度接触面剪切装置，横向倾斜剪切穿插在多介质实验模型内，用于提供横向荷载；

所述反力框架是由上支板和下支座以及连接在上支板和下支座之间的四根升降杆组成。

7.根据权利要求6所述的多功能三维可视结构界面的实验装置，其特征在于，所述可变化角度接触面剪切装置提供横向荷载的方式是通过纵向荷载的施加，根据可变化角度接触面剪切装置倾斜的角度将纵向力分解部分为横向力。