一种可模拟粘弹性边界的叠层剪切模型箱的制作方法

本发明涉及一种振动台试验中可模拟粘弹性边界的叠层剪切模型箱，模型箱可根据不同土体的土性调节箱体的刚度和阻尼系数，以达到最大限度还原土体在地震作用下动力反应的目的，属于土木工程结构震动测试领域。

背景技术：

地下结构振动台试验中，一般会将结构(如隧道和地铁车站等)和岩土体一同放置于模型箱内，以求达到模拟实际地层中地下结构地震反应的效果。然而，由于模型箱容积非常有限，使得当地震波传播至箱体内壁时，箱体自身将对地震波形成较强的反射波和散射波，这与地震波是向无限远处传播的实际情况不符，因而常规模型箱中的模型土在激震时不能很好的模拟原型场地的自由场条件，影响试验结果的可靠性。一个理想的模型箱应满足以下要求：

(1)合理的边界条件，力求箱体内的模型土能模拟原型场地土的地震响应性状；

(2)使模型箱的自振频率远离模型土的自振频率，避免二者发生共振而影响数据的准确性；

(3)满足振动台台面尺寸及承载力要求，且能进行自由吊装；

(4)模型箱结构牢固且连接可靠，避免箱体在激振过程中发生失稳破坏。

目前，振动台试验中，常用的模型箱主要包括刚性箱和剪切箱两类。对于这两类模型箱，分析时，一般假设土-结构模型与模型箱是分开的，这样就可认为土-结构模型是由模型箱边界包围的岩土体和地下结构，模型箱自身用来反映研究范围以外半无限地基对研究范围内的岩土体介质的约束作用。但实际上，土-结构模型与模型箱在振动台上激震时，它们是一个整体，应该将该体系视为地基土上面的地上结构来进行分析，此时，振动台台面上输入地震波激震时，土-结构-模型箱体系产生的加速度将对其自身的动力反应起决定性作用(特别是模型箱采用刚性箱和剪切箱时)，进而导致该体系发生类似刚体运动的整体位移，该反应与真实土层-地下结构的地震反应完全不同。事实上，地震作用下，土层-地下结构的反应是由地震波的速度和位移决定的，由加速度产生的惯性力影响反而很小。因此，研究一种可消弱地震波加速度的影响，突出地震波速度和位移的影响全仿真新型模型箱是很有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种可模拟粘弹性边界、突出地震波速度和位移影响的剪切模型箱，同时，要求该模型箱可根据土体性能不同来调节自身的刚度和阻尼系数，以便模拟不同土层或分层土场地条件下的地震反应。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可模拟粘弹性边界的叠层剪切模型箱，该叠层剪切模型箱的箱体采用n层方形钢管框架等间距叠合而成，n为整数且大于等于1；每层方形钢框架由四根方形钢管4相互焊接而成，箱体底层的方形钢框架与底板8通过高强螺栓固定；相邻两层方形钢框架中，上层方形钢框架的下表面与下层方形钢框架的上表面的之间等间距焊接有三片不锈钢垫板11；不锈钢垫板11上铣有三道独立且方向相互垂直的v型凹槽9，槽底的v形角为90°，每个凹槽内放置若干钢滚珠10，以形成自由滑动的支撑点；沿箱体纵向两侧分别安装两根圆形钢立柱2和钢横梁1，两根圆形钢立柱2上每间隔一层方形钢框架安装一个轴承3，轴承3与方形钢管4的外表面相切，同时立柱2间通过加强肋5牢固的连在一起；在箱体内壁衬4mm厚的硅质橡胶膜，方形钢管框架的外表面布置有能自由拆卸的弹簧6和阻尼器7，参数可视试验所用的地基土能够任意选择。

钢梁1、钢立柱2及轴承3组成的体系保证模型箱体的稳定性，防止其震动时发生倾覆或扭转。

弹簧6和阻尼器7沿每层方形钢管框架间隔布置。

上下方形钢管框架之间布置的弹簧6和阻尼器7，能够模拟粘弹性边界，也能够反映模型体系的速度和位移对土层地震反应的控制作用。

底板8的四周角部铣有吊装孔。

装配时，弹簧6和阻尼器7的自由变形量大于模型箱的最大剪切变形量。

v型凹槽9、钢珠10及不锈钢垫板11组成的自由滑动系统在激震作用下能够自由地在水平向滑动。

本发明具有以下有益效果及优点：激震作用下，方形钢管在钢滚珠形成的可自由滑动的支撑点上水平移动，变形自下而上依次增大，使各层结构间发生剪切变形；箱体上下方框之间设置的可拆卸、可调节参数的阻尼器和弹簧装置，使得土体-地下结构-模型箱体系的动力反应突出体现了速度和位移的控制作用，同时，该设置也可反映上下层土体之间的相互作用；硅质橡胶可很好的吸收地震波传播过程中在箱体侧壁上形成的反射波和散射波。该装置工作原理清楚，安装操作方便，试验得到的震害机制与实际相符，可满足开展土-地下结构体系振动台试验的需要。

附图说明

图1为实施例中模型箱装置轴测图；

图2为实施例中模型箱装置平面图；

图3为实施例中模型箱装置正立面图；

图4为实施例中模型箱装置侧立面图；

图5为立柱和钢梁连接示意图；

图6为v型凹槽及钢滚珠轴测图；

图7为弹簧轴测图及实物图；

图8为阻尼器轴测图及实物图。

图中：1、钢梁，2、钢立柱，3、轴承，4、方形钢管，5、加强肋，6、弹簧，7、阻尼器，8、底板，9、v型凹槽，10、钢珠、11、不锈钢垫板。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图进一步说明本发明。

图1至图8为一种可模拟粘弹性边界的新型叠层剪切模型箱装置的一个实施例的结构示意图，可模拟粘弹性边界的新型叠层剪切模型箱装置。

本实施例中模型土箱的外形尺寸为长×宽×高＝2.5m×1.4m×1.38m，其层面结构为方形钢管封闭框架4，箱体采用14层方形钢管框架等间距叠合而成，如图1所示，每层钢框架4由四根横截面为80mm×80mm、壁厚为3mm的方形钢管焊接而成，底层钢框架与底板8通过高强螺栓固定，上层钢框架的下表面与下层钢框架的上表面的相应位置等间距的焊接三片200mm×70mm×10mm不锈钢垫板11，再在垫板上铣出三道独立且方向相互垂直的v型凹槽9，槽底的v形角为90°，每个凹槽内放置若干直径为14.14mm的钢滚珠10，以形成可以自由滑动的支撑点；然后，沿箱体纵向两侧分别安装两根圆形钢立柱2和钢横梁1，两根立柱上每间隔一层方框架上安装一个轴承3，确保轴承3与框架4的外表面相切，同时立柱2间通过加强肋5将二者牢固的连在一起；之后，在箱体内壁衬4mm厚的硅质橡胶膜，前后钢框架外表面布置可自由拆卸的弹簧6和阻尼器7，其参数可视试验所用的地基土任意调节；最后，在底板四周角部铣出吊装孔，完成模型箱的制作。装配时，弹簧和阻尼器的自由变形量应略大于模型箱的最大剪切变形量。

采用埋置土层厚度为1.2m的粉细砂作为模型地基土进行自由场试验。土中加速度传感器(字母a表示)的布置及箱体上激光位移计的位置。

振动台台面输入0.3g的什邡八角波作用下，模型地基地表及0.25m埋深处测点的加速度时程曲线；台面分别输入0.1g、0.3g及0.5g的什邡八角波作用下，激光位移测点j1～j12在左摆、右摆振动过程中某一时刻的水平位移值。

不论平行于激振方向，还是垂直于激振方向，同一深度处各测点加速度时程曲线几乎一致，模型箱边界效应很小，可忽略其带来的不利影响；模型地基土自下而上发生的是剪切变形，与实际吻合较好。