内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱及其使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱。所述模型箱由方形钢管焊接而成的长方形框架等间距层叠而成；薄片磁铁贴固于沿振动方向的方形钢管内顶面；嵌有多个铁芯的钢横梁无接触地贯穿于该钢管，并使铁芯上工作面与薄片磁铁下表面的磁极极性相同；横梁两端分别与悬挂于反力架横梁上的螺杆相连接；在多个框架层均布置带铁芯横梁，形成多层减阻系统。本发明利用电磁铁在通电情况下，与薄片磁铁之间产生向上的电磁斥力，以及对钢管下底面产生吸引力，将所在框架层的部分自重转由横梁承担，并传至振动台面外的反力架上，实现模型箱层间减阻的效果。本发明结构简单、可重复使用。
【专利说明】
内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地下结构振动台试验的模型箱，尤其涉及一种内置电磁减阻装置 的大型层叠剪切模型箱及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 模型箱是地下结构振动台试验的重要设备之一，其边界处产生的波动反射和箱体 自身振动形态的变化均会在一定程度上影响试验结果的合理性，即产生所谓的"模型箱效 应"。因此，合理的模型箱设计应尽可能使模型箱土的边界条件与原型一致，且使模型地基 土在地震作用下发生剪切变形。目前，国内外常用的振动台试验模型箱主要有3种：刚性模 型箱、柔性模型箱和层叠剪切变形模型箱。其中，层叠剪切变形模型箱在消除边界效应、模 拟土体水平层状变形以及限制土体向外膨胀等方面具有良好的性能，相比于其他两种模型 箱，应用更为广泛。
[0003] 然而，叠层剪切型模型箱也存在如下问题：（1)模型箱大多采用钢质框架制成，虽 有刚度大、结构形式简单的优点，但钢材自重大，再加上滚珠、立柱等附属结构，模型箱自重 往往过大，尤其是大型剪切模型箱。由于模型箱自身刚度须小于模型土的刚度，以保证土体 在振动过程中起控制作用，箱体刚度(或自重)过大势必影响原型地基土半无限特性的模拟 效果，也限制了箱内填土的质量。（2)相邻框架之间虽然采用了滚珠或轴承连接，以减小层 间摩阻力，实现箱体与土体发生同步剪切运动，但箱体较高时，滚珠或轴承处于较大的挤压 应力状态，底部几层的摩阻力仍然较大，这将限制模型地基土的剪切变形。另外，当滚珠或 轴承尺寸过小时，将不足以支撑框架重量，并影响框架间的自由滑动;而尺寸过大时，层间 间隙也相应增大，振动过程中模型土体将向外膨胀，导致约束压力释放，可能使土层产生弯 曲变形。
[0004] 由于在减小尺寸效应、消除边界波动反射以及模拟土体层状变形方面的优点，近 年来大型模型箱的应用逐渐增多。然而，箱体及附属结构的自重及容积也随之增加，一方 面，增大了振动台设备的负荷;另一方面，在振动过程中将产生较大的惯性力和框架层间摩 擦力，从而降低自由场原型地基模拟的相似程度，导致模型土变形与地震波入射时土层实 际剪切变形存在偏差。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在提供一种内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱用于振动台试验， 以克服现有大型层叠剪切模型箱中自重、框架层间阻力和箱体惯性效应对模拟效果的不利 影响，同时使箱体自重满足振动台设备的承载能力要求。
[0006] 本发明提供了一种内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，包括若干个长方形 框架、电磁减阻装置、螺杆和反力架；
[0007] 所述长方形框架由四根方形钢管焊接而成，且若干个长方形框架上下平行层叠设 置、间距相等，每层框架与振动方向平行的两根方形钢管内设有电磁减阻装置;电磁减阻装 置在多个方形钢管内平行设置，形成多层减阻系统;所述长方形框架采用导磁材料制作，以 便在管内形成磁屏蔽环境，防止磁场线穿过方管干扰外界磁场;底部的长方形框架下方设 有刚性底板；
[0008] 所述电磁减阻装置包括嵌有多个铁芯的横梁和薄片磁铁，薄片磁铁设置在与振动 方向平行的方形钢管内顶面，横梁无接触地贯穿于该钢管内部，所述横梁为工字钢，工字钢 的腹板上设有若干个缺口，铁芯焊接在该缺口内，铁芯的外表面均匀缠有漆包线，且相邻两 层框架内的漆包线与滑动变阻器、电流表和电源串联为一组电路，应避免电路穿过的框架 层数过多，保证电路电压在安全范围的同时使串联电路数量尽可能少，方便操作;铁芯的上 方对应设有薄片磁铁，铁芯的上工作面与薄片磁铁的下表面的磁极极性相同；横梁延伸出 方形钢管的两端，横梁两端分别与螺杆连接，螺杆上端悬挂在反力架横梁上。应事先验算横 梁在电磁力和自重作用下的挠曲变形，保证横梁最大竖向位移小于其底面至钢管下表面的 间隙，计算模型可按简支梁考虑。
[0009] 上述方案中，所述薄片磁铁为长条形铷铁硼材质，粘贴在方形钢管的内顶面，磁铁 的长度根据层间最大相对位移确定，大致在每个铁芯中心两侧各预留15cm，避免振动过程 中铁芯超出薄片磁铁范围，宽度小于方形钢管内顶面宽度3-5_。
[0010] 上述方案中，所述螺杆设有四根，螺杆与模型箱间隔40~50cm;
[0011] 上述方案中，所述电磁减阻装置的横梁两个端部分别设置U型槽，螺杆与每个横梁 之间通过螺母连接，从而将所有电磁减阻装置的横梁固定起来。进一步地，所述电磁减阻装 置的横梁两端上下翼板均切割出一个U型缺口，并去掉该区域腹板，将螺杆穿过缺口，并在 翼板上下表面通过螺母对横梁进行固定。
[0012] 上述方案中，所述反力架设置在模型箱两侧，且与振动台台面分离;箱体振动过程 中，整个减阻装置保持静止状态。
[0013] 上述方案中，所述螺杆下端采用导线和接地极与大地相连，对减阻装置做保护接 地，避免试验过程中发生触电危险。
[0014] 上述方案中，除底层框架外，在每层框架与振动方向平行两边的底部各设置3~5 组轴承或者滚珠，以形成可以自由滑动的支撑点。
[0015] 进一步地，所述所述滚珠设置在方形钢管上的滑槽板内，滑槽板上方设有一条凹 槽，滚珠能在凹槽内发生水平滑动。
[0016] 上述方案中，模型箱内布置橡胶袋，防止土体和水漏出。
[0017] 上述方案中，在箱壁外侧垂直于振动方向设置柔性铁皮或橡胶材质的侧限板，并 通过螺栓连接。
[0018] 本发明提供了上述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱的使用方法，包括 以下步骤：
[0019] 步骤1:将刚性底板和层叠框架通过螺栓拼装成模型箱，使刚性底板连接在外部振 动台上；
[0020] 步骤2:焊接横梁，将绕有一定匝数漆包线的铁芯焊接在横梁缺口位置，将同一根 横梁上的铁芯用导线串联起来；
[0021] 步骤3:将横梁送入与振动方向平行的一边方形钢管内，串联铁芯的导线在方形钢 管两端引出来，与相邻框架引出的导线或滑动变阻器、电流表和电源相连，每两层框架内铁 芯与滑动变阻器、电流表和电源串联为一组电路；
[0022] 步骤4:将薄片磁铁沿与振动方向平行的两根方形钢管两端顶板缓缓推进，使其吸 附于钢管内顶面；
[0023] 步骤5:将螺杆上拧上螺母，螺母位置根据已安装的横梁确定，将螺杆安装在反力 架上;通过操纵反力架，将螺杆慢慢送至横梁端部"U"型缺口处;先从上部框架内的横梁开 始，将横梁抬升至预定位置，用螺母固定住横梁；
[0024] 步骤6:电路接通前，需把滑动变阻器的阻值调到最大;从上往下，依次接通各个电 路，先慢慢调节顶层电路中滑动变阻器，观察电流表示数，使电路达到预先计算的电流值， 再调节下一层电路;电路调整完毕，方可施加地震波进行振动台模拟试验。
[0025]本发明的有益效果：
[0026] (1)利用电磁装置将所在框架层的部分自重转由横梁承担，并传递到振动台面外 的反力架上，实现了模型箱减重效果，从而较易满足振动台负荷对模型箱自重的要求，并降 低惯性效应对模拟效果的影响;模型箱自身刚度更易满足箱-土相对刚度要求，保证土体在 振动过程中起控制作用；
[0027] (2)框架部分自重的转移同时减小了层间滑动阻力，实现了减阻的目的，从而降低 了摩擦力对模拟效果的影响，最大限度模拟半无限土域的剪切变形特征，提高了试验模拟 的相似程度；
[0028] (3)薄片磁铁设置在钢管端部，方便其更换和重复利用；电路中连接滑动变阻器， 可根据所需输出的支承力调节铁芯电流大小，实现支承力的灵活控制；
[0029] (4)横梁采用"H"型横截面，重量轻，抗弯刚度大，大跨条件下的受力变形较小，框 架层与横梁之间始终能保持无接触状态。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明大型层叠剪切模型箱的结构示意图。
[0031] 图2为图1中长方形框架的俯视图。
[0032] 图3为磁性减阻装置的结构示意图。
[0033]图4为横梁端部的结构示意图。
[0034]图5为反力架周边的连接关系图。
[0035]图6为相邻长方形框架的电路连接图。
[0036]图中：卜刚性底板，2-长方形框架，3-横梁，4-薄片磁铁，5-漆包线，6-铁芯，7-腹板 缺口，8-螺母，9-螺杆，10-滑槽板，11-反力架，12-U型缺口，13-振动台，14-电源，15-滑动变 阻器，16-电流表。
【具体实施方式】
[0037] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0038] 如图1~6所示，一种内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，包括若干个长方 形框架2、电磁减阻装置、螺杆9和反力架11;
[0039] 所述长方形框架2由四根方形钢管焊接而成，且若干个长方形框架2上下平行层叠 设置、间距相等，每层框架与振动方向平行的两根方形钢管内设有电磁减阻装置;电磁减阻 装置在多个方形钢管内平行设置，形成多层减阻系统；所述长方形框架2采用导磁材料制 作，以便在管内形成磁屏蔽环境，防止磁场线穿过方管干扰外界磁场;底部的长方形框架下 方设有刚性底板1;长方形框架2采用断面尺寸为100mmX 100mmX3mm(高X宽X厚）的方形 钢管焊接成矩形中空闭合框架，总高约1.8m，闭合框架内部尺寸为3.OmX 1.8m(长X宽）。
[0040] 所述电磁减阻装置包括薄片磁铁4和嵌有多个铁芯的横梁3,薄片磁铁4设置在与 振动方向平行的方形钢管内顶面，横梁3无接触地贯穿于该钢管内部，所述横梁3为工字钢， 工字钢的腹板上设有若干个缺口，铁芯6焊接在该缺口内，铁芯6的外表面均匀缠有漆包线 5,且相邻两层框架内的漆包线5与滑动变阻器、电流表和电源串联为一组电路，应避免电路 穿过的框架层数过多，保证电路电压在安全范围的同时使串联冯国瑞学生高强（不当混 子*)电路数量尽可能少，方便操作;铁芯6的上方对应设有薄片磁铁4，铁芯6的上工作面与 薄片磁铁4的下表面的磁极极性相同；横梁3延伸出方形钢管的两端，横梁3两端分别与螺杆 9连接，螺杆9上端悬挂在反力架11横梁上。每根带铁芯横梁3内设置四个铁芯6(图3)，铁芯6 上缠绕一定匝数的漆包线5。为保证横梁可以无接触的内套于钢管内，工字梁翼板尺寸设计 为4mX 80mmX 2mm(长X宽X厚）、腹板设计为4mX 70mmX 2mm(长X宽X厚）；翼板端部设置 1.8cm X 1.6cm(长X宽）的"U"型缺口。悬挂于反力架11横梁上的螺杆9穿过"U"形缺口，并将 M16螺母8拧至翼板上下表面处固定横梁3，其中螺杆直径为1.6cm(图4)。
[0041] 应事先验算横梁在电磁力和自重作用下的挠曲变形，保证横梁最大竖向位移小于 其底面至钢管下表面的间隙，计算模型可按简支梁考虑。
[0042] 上述方案中，所述薄片磁铁4为长条形铷铁硼材质，粘贴在方形钢管的内顶面，磁 铁的长度根据层间最大相对位移确定，大致在每个铁芯中心两侧各预留15cm，避免振动过 程中铁芯超出薄片磁铁范围，宽度小于方形钢管内顶面宽度3-5_。
[0043] 上述方案中，所述螺杆9设有四根，螺杆与模型箱间隔40~50cm;
[0044] 上述方案中，所述电磁减阻装置的横梁3两个端部分别设置U型槽，螺杆9与每个横 梁3之间通过螺母8连接，从而将所有电磁减阻装置的横梁固定起来。进一步地，所述电磁减 阻装置的横梁两端上下翼板均切割出一个U型缺口，并去掉该区域腹板，将螺杆穿过缺口， 并在翼板上下表面通过螺母对横梁进行固定。
[0045] 上述方案中，所述反力架11设置在模型箱两侧，且与振动台台面分离;箱体振动过 程中，整个减阻装置保持静止状态。
[0046] 上述方案中，所述螺杆9下端采用导线和接地极与大地相连，对减阻装置做保护接 地，避免试验过程中发生触电危险。
[0047] 上述方案中，除底层框架外，在每层框架与振动方向平行两边的底部各设置3~5 组滚珠，以形成可以自由滑动的支撑点。如图1所示，模型箱由15层形状相同的长方形框架2 水平叠放而成，每层接触面间安放有滚珠，底层长方形框架2与刚性底板1固定。所述滚珠设 置在滑槽板10内。除长方形框架2和减阻装置外，各层之间通过导向滑槽板10连接;除顶层 和底层框架只在有相邻框架一侧的表面设置导向滑槽板10外，其余层叠框架上下表面均设 置导向滑槽板10。导向滑槽板上铣有一条V型凹槽，该凹槽允许滚珠在一定范围内沿水平方 向轻松滑动。
[0048]上述方案中，模型箱内布置橡胶袋，防止土体和水漏出。
[0049]上述方案中，在箱壁外侧垂直于振动方向设置柔性铁皮或橡胶材质的侧限板，并 通过螺栓连接。
[0050]电磁吸力计算公式为
[0052]其中，训为空气磁导率，μ〇 = 43?Χ1〇-7H/m;A为铁芯6截面面积;z为钢板到电磁铁磁 极表面的瞬时气隙;N为电磁铁线圈匝数，由下式确定
[0055] 其中a为铁芯6直径，b为缠绕漆包线5后铁芯6的直径，d为漆包线5的直径为铁 芯6的高度。
[0056] 选用直径a为4cm、高度1^为7〇11的铁芯6,直径d为1.0mm的漆包线5,缠绕漆包线后 的铁芯6直径b为8cm，瞬时气隙z取9mm，电流选用1.5A。通电后，电磁铁芯6对薄片磁铁4产生 向上的电磁斥力，同时对钢管下表面产生向上的吸力。经计算，每个铁芯6能提供约57N的吸 力，即每个铁芯6对所在框架产生约114N的升力，每层框架8个铁芯共产生约912N的总升力， 大约减轻了 62%的所在框架层自重。
[0057] 横梁在自重和电磁力作用下会发生挠曲变形，对其变形进行验算。横梁计算模型 按简支梁计算，中点挠度最大。在自重作用下，横梁受q = 57.69N/m的均布荷载作用，横梁中 点变形为2mm;在电磁力作用下，横梁受四个集中荷载F=114N作用，横梁中点变形为3_。横 梁中点总烧度5mm，总高度74mm，方钢内部高度94mm，可保证方钢无接触外套于横梁。
[0058] 每两层框架里的铁芯6与滑动变阻器15、电流表16和电源14串联形成一组电路。如 图6所示，铁芯6上的漆包线5从框架中引出，与相邻框架中的漆包线组成一个回路，该回路 中还包括电源14、滑动变阻器15、电流表16。
[0059] 市场上的薄片磁铁多具有强磁性，且脆而易碎，粘贴时宜将其沿钢管内顶面缓慢 推进，不应直接对吸粘贴，以免发生碰撞脆断。此外，薄片磁铁的尺寸一般较小，安装前可将 多个薄片磁铁粘贴为长条状，并辅以木条固定，避免推进过程中发生错动。
[0060] 本发明中横梁层数不局限于上述15层，顶部3-5层框架作用于滑动装置的压力较 小，可不布置减阻装置。另外，横梁内的铁芯数量也可根据实际试验需要进行调整。
[0061] 横梁在电磁力和自重作用下的挠曲变形应事先验算，保证横梁最大位移小于其底 面至钢管下表面的间隙，计算模型可按简支梁考虑。
[0062] 上述内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱的使用方法，包括以下步骤：
[0063] 步骤1:将刚性底板和层叠框架通过螺栓拼装成模型箱，使刚性底板连接在外部振 动台上；
[0064]步骤2:焊接横梁，将绕有一定匝数漆包线的铁芯焊接在横梁缺口位置，将同一根 横梁上的铁芯用导线串联起来；
[0065] 步骤3:将横梁送入与振动方向平行的一边方形钢管内，串联铁芯的导线在方形钢 管两端引出来，与相邻框架引出的导线或滑动变阻器、电流表和电源相连，每两层框架内铁 芯与滑动变阻器、电流表和电源串联为一组电路；
[0066] 步骤4:将薄片磁铁沿与振动方向平行的两根方形钢管两端顶板缓缓推进，使其吸 附于钢管内顶面；
[0067] 步骤5 :将螺杆上拧上螺母，螺母位置根据已安装的横梁确定，将螺杆安装在反力 架上;通过操纵反力架，将螺杆慢慢送至横梁端部"U"型缺口处;先从上部框架内的横梁开 始，将横梁抬升至预定位置，用螺母固定住横梁；
[0068] 步骤6:电路接通前，需把滑动变阻器的阻值调到最大;从上往下，依次接通各个电 路，先慢慢调节顶层电路中滑动变阻器，观察电流表示数，使电路达到预先计算的电流值， 再调节下一层电路;电路调整完毕，方可施加地震波进行振动台模拟试验。
【主权项】
1. 一种内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:包括若干个长方形框 架、电磁减阻装置、螺杆和反力架； 所述长方形框架由四根方形钢管焊接而成，且若干个长方形框架上下平行层叠设置、 间距相等，每层框架与振动方向平行的两根方形钢管内设有电磁减阻装置；电磁减阻装置 在多个方形钢管内平行设置，形成多层减阻系统;底部的长方形框架下方设有刚性底板； 所述电磁减阻装置包括嵌有多个铁芯的横梁和薄片磁铁，横梁无接触地贯穿于该钢管 内部，所述横梁为工字钢，工字钢的腹板上设有若干个缺口，铁芯焊接在该缺口内，铁芯的 外表面均匀缠有漆包线，且相邻两层框架内的漆包线与滑动变阻器、电流表和电源串联为 一组电路;铁芯的上方对应设有薄片磁铁，铁芯的上工作面与薄片磁铁的下表面的磁极极 性相同；横梁延伸出方形钢管的两端，横梁两端分别与螺杆连接，螺杆上端悬挂在反力架横 梁上。2. 根据权利要求1所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:所述 薄片磁铁为长条形铷铁硼材质，粘贴在方形钢管的内顶面，磁铁在每个铁芯中心两侧各预 留15cm，宽度小于方形钢管内顶面宽度3-5_。3. 根据权利要求1所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:应事 先验算横梁在电磁力和自重作用下的挠曲变形，保证横梁最大竖向位移小于其底面至钢管 下表面的间隙，计算模型可按简支梁考虑。4. 根据权利要求1所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:所述 螺杆下端采用导线和接地极与大地相连。5. 根据权利要求1所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:所述 电磁减阻装置的横梁两个端部分别设置U型槽，螺杆与每个横梁之间通过螺母连接，将所有 电磁减阻装置的横梁固定起来。6. 根据权利要求5所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:所述 电磁减阻装置的横梁两端上下翼板均切割出一个U型缺口，并去掉该区域腹板，将螺杆穿过 缺口，并在翼板上下表面通过螺母对横梁进行固定。7. 根据权利要求1所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:所述 反力架设置在模型箱两侧，且与振动台台面分离。8. 根据权利要求1所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:在模 型箱内布置橡胶袋;除底层框架外，在每层框架与振动方向平行的底部各设置3~5组轴承或 滚珠;在箱壁外侧垂直于振动方向设置柔性铁皮或橡胶材质的侧限板，并通过螺栓连接。9. 根据权利要求8所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，其特征在于:所述 滚珠设置在方形钢管上的滑槽板内，滑槽板上方设有一条凹槽，滚珠能在凹槽内发生水平 滑动。10. -种权利要求1~9任一项所述的内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱的使用 方法，其特征在于:包括以下步骤： 步骤1:将刚性底板和层叠框架通过螺栓拼装成模型箱，使刚性底板连接在外部振动台 上； 步骤2:焊接横梁，将绕有一定匝数漆包线的铁芯焊接在横梁缺口位置，将同一根横梁 上的铁芯用导线串联起来； 步骤3:将横梁送入与振动方向平行的一边方形钢管内，串联铁芯的导线在方形钢管两 端引出来，与相邻框架引出的导线或滑动变阻器、电流表和电源相连，每两层框架内铁芯与 滑动变阻器、电流表和电源串联为一组电路； 步骤4:将薄片磁铁沿与振动方向平行的两根方形钢管两端顶板缓缓推进，使其吸附于 钢管内顶面； 步骤5:将螺杆上拧上螺母，螺母位置根据已安装的横梁确定，将螺杆安装在反力架上； 通过操纵反力架，将螺杆慢慢送至横梁端部"U"型缺口处;先从上部框架内的横梁开始，将 横梁抬升至预定位置，用螺母固定住横梁； 步骤6:电路接通前，需把滑动变阻器的阻值调到最大;从上往下，依次接通各个电路， 先慢慢调节顶层电路中滑动变阻器，观察电流表示数，使电路达到预先计算的电流值，再调 节下一层电路;电路调整完毕，方可施加地震波进行振动台模拟试验。
【文档编号】E02D33/00GK105926691SQ201610397306
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】章敏, 尚微, 郭诚, 周忠超, 程欣, 赵博, 安毅
【申请人】太原理工大学