一种双向可切换大型层状堆叠式剪切模型箱的制作方法

本发明涉及抗震试验技术领域，尤其是涉及一种双向可切换大型层状堆叠式剪切模型箱。

背景技术：

在地下结构抗震试验中，试验中需要模拟的对象除结构本身外，还需要模拟结构周边的地层，即需要在振动台上另外增加一个可传递振动作用到试验对象的盛土容器，即模型箱。由于采用有限尺寸的模型箱内装填模型土来模拟原型无限土域，需要考虑以下两个问题：箱体侧壁的振动性态对模型的影响和振动能量传递到侧壁后产生的“边界反射”，即所谓的“模型箱效应”。为了消除模型箱效应，将模型箱设计为在地震作用下能够单向层状剪切变形的层状剪切模型箱。

现有的层状剪切模型箱限于层状框架钢构件截面形式，剪切箱模型通常平面尺寸较小，箱体自重较大。由于地下结构振动台试验日趋大型化、复杂化，现有的层状剪切模型箱用的方形钢管等构件，在质量相同的情况下，抗弯刚度较小，在模型土侧压力的荷载作用下易出现“鼓肚”的现象。

现有的层状剪切模型箱仅能考虑单向的剪切振动。对于长宽比大的地下结构，如狭长型的隧道、车站结构等，结构与箱体的相对位置一般保持不变，当需要对结构进行横向和纵向地震激励时，就要求层状剪切模型箱可以分别在相互垂直的两个方向上模拟土体在水平地震作用下的层状剪切变形。

现有的层状剪切模型箱均采用层间导轨式或轴承式的单向滑移装置，难以实现剪切振动方向的切换。对于现有的采用层间导轨式滑移装置的层状剪切模型箱，要改变其剪切振动方向，需要首先将箱内模型土体与结构清空，拆卸侧向限位钢板，随后将每层框架逐一拆卸，更换调整每一层的单向滑移装置导轨方向，最后改变侧向限位钢板方向并安装。整个过程将浪费大量试验时间，而且在模型土开挖、重填的过程将造成更大试验误差。

现有的层状剪切模型箱相邻两层间的间隙较大，导致层间土体向外鼓胀，影响试验精度。现有的采用方形钢框配合滚珠-导槽、滚轴-导槽与轴承等滑移装置的层状剪切箱均存在相邻钢框架层间间隙过大的情况；或者为控制层间间隙，不得不采用小滚珠、小轴承等，从而降低了滑移装置的竖向承载能力。虽然箱体内腔设置橡胶模可使土体不从层间漏出，但由于橡胶模较柔，层间土体向外鼓胀，增加侧墙摩擦力，将影响试验精度。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双向可切换大型层状堆叠式剪切模型箱，通过改变剪切模型箱层状钢框架结构形式及层间滑移机制，同时考虑侧向限位板的安装方向，以克服上述现有模型箱的不足。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双向可切换大型层状堆叠式剪切模型箱，包括层状堆叠箱体，该层状堆叠箱体包括多层h型钢框、一层底层框架和一底板，所述h型钢框和底层框架层叠设置形成层状堆叠箱体的侧壁，所述底板固定于底层框架内，相邻层h型钢框之间以及h型钢框与底层框架之间设置有无导轨式滑移机构，所述层状堆叠箱体的一组相对侧壁外侧固定有侧向限位钢板，且该组相对侧壁垂直于振动台的振动方向。

进一步地，所述底层框架通过锚地螺栓固定于振动台上。

进一步地，所述h型钢框的腹板平行于振动台设置，两侧翼缘垂直于振动台设置，所述h型钢框的外侧翼缘上安装有细钢条，该细钢条上设置有用于固定所述侧向限位钢板的多个预留螺栓孔。

进一步地，相邻层所述h型钢框的层间距由无导轨式滑移机构的高度可调地确定。

进一步地，所述无导轨式滑移机构包括两个钢垫板和一滑动组件，两个钢垫板分别安装于上下两层框架上，所述滑动组件的两端分别接触所述两个钢垫板。

进一步地，所述滑动组件包括包裹式凹槽和设置于所述包裹式凹槽内的多个钢滚球，各钢滚球在所述包裹式凹槽内自由滚动。

进一步地，所述层状堆叠箱体的侧壁内侧设置有防水橡胶膜。

进一步地，所述底层框架为c型槽钢，翼缘朝上。

进一步地，所述底板上设有增大摩擦层。

进一步地，所述侧向限位钢板的高度与层状堆叠箱体高度相等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用h型钢框形成层状堆叠箱体，结构形式刚度大、质量轻，适用于长、大平面的剪切模型箱。

2、本发明中，通过采用h型钢制作层状钢框架，可实现制作大平面尺寸的剪切模型箱，并降低模型箱的整体质量，可在保证刚度的情况下，减少模型箱自身惯性力对试验的影响。

3、本发明通过安装在包裹式凹槽内的钢滚球制作层间滑移机构，有效提高承载力，减小层间滑移摩擦力。

4、本发明可通过调节滑移机构的总高度实现h型钢框层间间距的调节，可以减小层间间隙，根据实际需要甚至可以控制到1～2mm。

5、本发明采用h型钢框和无导轨式滑移机构的组合，无导轨式滑移机构包括钢垫板和滑动组件，钢垫板固定在h型钢框的腹板处，表面水平，无导轨，滑动组件中钢滚球在凹槽内可沿不同方向自由滚动，使得剪切模型箱的振动方向仅由模型箱外侧向约束钢板控制，进而可以通过只改变侧向约束钢板的固定方向，快速切换模型箱的剪切振动方向。

6、本发明无需对模型箱体及模型箱内的模型进行拆卸，在实现剪切方向可切换的功能基础上，节省了大量的试验时间。

附图说明

图1为本发明一个实施例的俯视图；

图2为图1所示实施例的主视图；

图3为图1所示实施例的左视图；

图4为图1所示实施例的a-a剖面图；

图5为图1所示实施例的侧向约束钢板平面图；

图中，1、锚地螺栓；2、底板；3、增大摩擦层；4、无导轨式滑移机构；5、底层框架；6、h型钢框；7、橡胶模；8、细钢条；9、螺栓；10、预留螺栓孔；11、侧向限位钢板；12、固定螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图5所示，本实施例提供一种双向可切换大型层状堆叠式剪切模型箱，包括层状堆叠箱体，该层状堆叠箱体包括多层h型钢框6、一层底层框架5和一底板2，h型钢框6和底层框架5层叠设置形成层状堆叠箱体的侧壁，底板2固定于底层框架5内，相邻层h型钢框6之间以及h型钢框6与底层框架5之间设置有无导轨式滑移机构4，层状堆叠箱体的一组相对侧壁外侧固定有侧向限位钢板11，且该组相对侧壁垂直于振动台的振动方向。底层框架5通过锚地螺栓1固定于振动台上。

h型钢框6为中空矩形框型，其腹板平行于振动台设置，两侧翼缘垂直于振动台设置，h型钢框6的外侧翼缘上安装有细钢条8。细钢条8固定在每层h型钢框6四边外侧的翼缘中部，即腹板所在高度处，并在细钢条上预留螺栓孔10，用于固定侧向限位钢板11。细钢条8上的预留螺栓孔10需与侧向限位钢板11上的固定螺栓孔12对齐，确保安装、拆卸侧向限位钢板的顺利进行。本实施例中，在箱体的水平长边外侧通过固定侧向限位钢板的螺栓9固定了侧向限位钢板11，当需要改变剪切箱振动方向时，可以将限位钢板11从长边侧拆卸下来，通过螺栓9固定于箱体水平短边外侧细钢条上的预留螺栓孔10处，无需拆卸箱体本身。

无导轨式滑移机构4设置于h型钢框的腹板特定位置处，包括两个钢垫板和一滑动组件，两个钢垫板分别安装于上下两层框架上，滑动组件的两端分别接触两个钢垫板。相邻两层所述h型钢框叠合时，所述滑动组件分别与上层所述h型钢框及下层所述h型钢框的所述钢垫板接触。

滑动组件包括包裹式凹槽和设置于包裹式凹槽内的多个(4-12个)钢滚球，各钢滚球在包裹式凹槽内自由滚动。无导轨式滑移机构4可以根据需要改变总高度，以调节层间间隙；可根据需要，对无导轨式滑移机构4的滚球数量进行调整，本实施例中以4个钢滚球为一组。

本实施例中，可根据h型钢的翼缘高度，调节层间滑移机构的总高度，减小层间间隙，减小剪切箱土体在层间间隙处的向外鼓胀。

层状堆叠箱体的侧壁内侧设置有防水橡胶膜7，通过热熔焊接工艺形成防水内腔，覆盖于多层h型钢框堆叠箱体的内壁。

底层框架5为c型槽钢，翼缘朝上。

底板2上设有增大摩擦层3，可以采用粘结碎石、细砂等，以提高箱体地面与模型土的摩擦力。

侧向限位钢板11的高度与箱体高度等高，通过螺栓安装钢板形成侧向限位系统，为模型箱提供水平方向上的水平刚度，有效的模拟地层在振动作用下的剪切变形。

以上措施使模型箱能在土木工程岩土及地下工程振动台试验中，更有效的模拟原型地层的地震响应，更高效的进行试验。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。