一种分层支撑式剪切变形实验装置的制作方法

本发明涉及振动台试验中用于进行土-结构相互作用试验的盛土装置，更具体地涉及一种分层支撑式三自由度剪切变形模型箱。

背景技术：

利用振动台试验模拟涉及半无线场地的地震响应时，用于盛装模型的模型箱结构构造形式对试验结果的合理性有较大的影响，因此，所使用的盛装容器必须能够模拟地基土的半无限性。目前普遍采用的剪切变形模型箱相对于早先的刚性模型箱和圆筒形柔性模型箱更好地模拟了地基土的半无限性。在水下管柱振动模拟实验中，模型箱较大的自重以及模拟管柱的重量对振动台负荷要求加大，且模拟试验中剪切模型箱较大的惯性以及模型箱主体各层框架之间的摩擦力对模拟土动力相应影响限制了模型箱对于地基土半无限性模拟的相似程度。

基于以上所述，亟需一种新的振动台试验用模型箱，以解决现有振动台试验中模型箱自重对振动台负荷的较大要求，模型箱惯性对模拟效果产生影响，以及模型箱框架之间的摩擦力对模拟效果产生影响等问题。

技术实现要素：

为了克服上述问题，在现有技术的基础上开发出一种分层支撑式三自由度剪切变形模型箱。

本发明采用的技术方案为：

一种分层支撑式三自由度剪切变形试验装置，包括振动台和固定在所述振动台上的模型箱以及用于安装连接所述模型箱的四个支撑立柱，所述模型箱为分层结构的箱体，所述箱体由至少两层框架竖直层叠地组装在一起且每层框架之间等间隔平行排列；该试验装置还包括底座，所述底座位于所述模型箱的下部，且固定在所述振动台的上方，所述底座上设置有用于安装四个所述定位立柱的安装孔；所述模型箱的每层框架均由外层框架和内层框架构成，所述外层框 架和内层框架之间通过箱体减震装置连接在一起；所述模型箱的每层框架的外层框架均通过支撑减震装置与四个所述支撑立柱连接。

优选地，所述外层框架的内侧均布有八个外层框架内圆柱，所述八个外层框架内圆柱中与四个支撑立柱相对的四个外层框架内圆柱均与连接钢杆相连接，所述连接钢杆的另一端连接外圆柱。

优选地，所述内层框架的外侧均布有八个内外框架连接扣，所述内外框架连接扣由两片上下相对的带有通孔的铁片构成，用于与外层框架的内侧均布设置的八个外层框架内圆柱相连接。

优选地，内外层框架之间通过箱体减震装置进行连接；所述箱体减震装置由所述外层框架内圆柱、所述内外框架连接扣、箱体减震双头螺栓和箱体减震弹簧构成，所述箱体减震双头螺栓穿过外层框架内圆柱的圆柱孔，并在两端分别套上箱体减震弹簧之后再分别穿过内外框架连接扣的上下两个铁片后用螺母进行固定。

优选地，所述支撑减震装置由所述外圆柱、支撑减震弹簧、支撑减震双头螺栓和滚珠轴承构成；所述支撑减震双头螺栓穿过外圆柱的圆柱孔，并在两端分别套上支撑减震弹簧之后再分别连接滚珠轴承后用螺母进行固定。

优选地，该试验装置还包括与至少两层所述框架一一对应的至少两个带有滑槽的光滑圆盘，所述光滑圆盘焊接在所述支撑立柱上；每层所述框架均通过支撑减震装置上的可滑动地安装在所述光滑圆盘的滑槽内的滚珠轴承实现与支撑立柱的连接。

优选地，所述支撑立柱上设置有至少两个用于安装所述光滑圆盘的搁架。

优选地，该试验装置还包括用于固定四个所述支撑立柱之间相对位置的定位架，所述定位架为中空封闭圆环，所述定位架内侧壁上沿圆周方向等距离均匀设置有四个凹槽，所述定位架设置为两组，四个所述支撑立柱竖直卡合在两组所述定位架的四个所述凹槽内。

优选地，至少两层所述框架安装时，由四个所述定位立柱固定水平位置。至少两层所述框架内侧形成的圆柱空间内铺有防水膜制成的桶状袋子，用于防止所盛土从所述框架间隙内漏出。

本发明所产生的有益效果为：

(1)本发明提供了一种振动台试验用模型箱，在原有模型箱固定在振动台的结构基础上，本申请增设了用于安装模型箱的四个支撑立柱，由于这些支撑立柱置于地面而并非设置在振动台上，因此整个模型箱的重力转移给了地面，从而消除了模型箱自重对振动台负荷的要求。

(2)模型箱的多层框架竖直放置且等间隔平行排列，即模型箱的各层框架之间不相互接触，无摩擦力存在，仅框架与光滑圆盘之间产生摩擦力，摩擦力较小，从而降低了各层框架之间摩擦力对模拟效果产生的影响，极大地提高了试验模拟的相似程度。

(3)由于框架为中空铝合金封闭圆环，在振动台试验中水平振动时，模型箱中仅有各层框架进行水平振动，框架的质量较轻，极大地降低了模型箱惯性对模拟效果产生的影响。

(4)增加了垂向减震器，使振动台试验中模型箱内的土可以进行小振幅的垂向振动，实现了三个自由度的剪切变形模拟。

附图说明

图1是本发明提供的振动台试验用模型箱的结构示意图；

图2为该模型箱的底座的结构示意图；

图3为该模型箱的底座的侧视图；

图4为该模型箱的定位架的结构示意图；

图5为该模型箱的定位架的侧视图；

图6为该模型箱的光滑圆盘的结构示意图；

图7为该模型箱的光滑圆盘的侧视图；

图8为该模型箱的立柱的结构示意图；

图9为该模型箱的立柱的侧视图；

图10为该模型箱的立柱的俯视图；

图11为该模型箱的外层框架的示意图；

图12为该模型箱的外层框架的侧视图；

图13为该模型箱的内层框架的示意图；

图14为该模型箱的内层框架的侧视图；

图15为该模型箱的内外层框架连接在一起的整体结构示意图；

图16为图15所述的内外层框架连接在一起的整体结构的侧视图；

图17为将内外层框架连接在一起的箱体减震装置结构示意图；

图18为外层框架外侧固定连接的支撑减震装置结构示意图。

图中：

1、振动台；2、模型箱；3、支撑立柱；4、连接钢杆；5、支撑减震装置；6、搁架；7、光滑圆盘；8、底座；9、定位架；10、箱体减震装置

101、外层框架内圆柱；102、内外框架连接扣；103、箱体减震双头螺栓；104、箱体减震弹簧；21、框架；211、外层框架；212、内层框架；51、外圆柱；52、支撑减震弹簧；53、支撑减震双头螺栓；54、滚珠轴承；81、安装孔；82、定位立柱；91、凹槽。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。

本发明提供了一种分层支撑式三自由度剪切变形模型箱，其整体结构如图1所示，该分层支撑式三自由度剪切变形模型箱包括振动台1、固定在振动台1上的模型箱2和用于安装模型箱2的四个圆柱形支撑立柱3，所述四个支撑立柱3呈方形排布。本发明提供的模型箱2既固定在振动台1上，而且同时安装在四个圆柱形支撑立柱3上固定连接，由于这些支撑立柱3直接置于地面而并非设置在振动台1上，因此整个模型箱2的重力转移给了地面，从而消除了模型箱2的自重对振动台1负荷的要求。

如图2-3所示，该试验装置还包括底座8，底座8位于模型箱2的下部，且固定在振动台1的上方，底座8上设置有用于安装定位立柱82的安装孔81。通过安装孔81和定位立柱82的设置实现了安装过程中对框架21水平位置的固 定。

模型箱2为分层结构的箱体，于本实施例中，作为优选方案，模型箱2由十三层框架21竖直层叠地组装在一起且每层框架21之间等间隔平行排列，十三层框架21内侧所构成的圆柱空间内，铺有防水膜制成的桶状袋子，用于盛装模型土，防止土从框架间隙内漏出。

如图8至图10所示为支撑立柱13的示意图，十三层框架21层叠地安装在四个支撑立柱3上，每个支撑立柱3上设置有十三个用于安装十三个光滑圆盘7的搁架6。

如图6和图7所示为光滑圆盘7的示意图，光滑圆盘7放置在四个支撑立柱3的搁架6上。

模型箱2的每层框架21均由外层框架211和内层框架212构成，所述外层框架211和内层框架212之间通过箱体减震装置10连接在一起；所述模型箱2的每层框架21的外层框架211均通过支撑减震装置5与四个所述支撑立柱3连接，更优选地，每层所述框架21均通过支撑减震装置5上的可滑动地安装在所述光滑圆盘7的滑槽内的滚珠轴承54实现与支撑立柱3的连接。

由于上述模型箱2的各层框架21之间不相互接触，无摩擦力存在，仅框架21与光滑圆盘7之间产生摩擦力，摩擦力较小，从而降低了各层框架21之间摩擦力对模拟效果产生的影响，极大地提高了振动台试验模拟的相似程度。

如图11至图12所示为外层框架211的示意图。外层框架211的内侧均布有八个外层框架内圆柱101，所述八个外层框架内圆柱101中与四个支撑立柱3相对的四个外层框架内圆柱101均与连接钢杆4相连接，所述连接钢杆4的另一端连接外圆柱51。

如图13至图14所示为内层框架212的示意图。内层框架212的外侧均布 有八个内外框架连接扣102，所述内外框架连接扣102由两片上下相对的带有通孔的铁片构成，用于与外层框架211的内侧均布设置的八个外层框架内圆柱101相连接。

如图15至图17所示，内外层框架之间通过箱体减震装置10进行连接；所述箱体减震装置10由所述外层框架内圆101、所述内外框架连接扣102、箱体减震双头螺栓103和箱体减震弹簧104构成，所述箱体减震双头螺栓103穿过外层框架内圆柱101的圆柱孔，并在两端分别套上箱体减震弹簧104之后再分别穿过内外框架连接扣102的上下两个铁片后用螺母进行固定。

如图18所示所述支撑减震装置5由所述外圆柱51、支撑减震弹簧52、支撑减震双头螺栓53和滚珠轴承54构成；所述支撑减震双头螺栓103穿过外圆柱51的圆柱孔，并在两端分别套上支撑减震弹簧52之后再分别连接滚珠轴承54后用螺母进行固定。

无论是箱体减震装置10还是支撑减震装置5，由于均增加了垂直方向上的弹簧作为垂向减震器，使使振动台试验中模型箱内的土可以进行小振幅的垂向振动，实现了三个自由度的剪切变形模拟。

于本实施例中，优选的，框架21为中空铝合金封闭圆环，在振动台试验中水平振动时，模型箱中仅有各层框架21进行水平振动，框架21的质量较轻，极大地降低了模型箱惯性对模拟效果产生的影响。

作为优选方案，如图4和图5所示，振动台试验用模型箱还包括用于固定四个支撑立柱3之间相对位置的定位架9，定位架9优选为中空封闭圆环，且不局限于中空封闭圆环，该定位架9能够减轻整体模型箱的重量，还能够降低生产成本。

定位架9内侧壁上沿圆周方向设置有四个凹槽91，四个凹槽91与四个支 撑立柱3的形状相匹配，四个支撑立柱3可竖直卡合在四个凹槽91内。通过定位架9可以将四个支撑立柱3的位置相对固定，避免了四个支撑立柱3在振动台试验中晃动，降低了对模拟效果的影响。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。