一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置的制作方法

本发明属于地震工程模拟研究技术领域，涉及一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置。

背景技术：

近年来，为适应我国水电事业的迅速发展，已经相继建成或开始建设了一大批高坝水体区域。目前全球坝高排名前100名的大坝中，我国占20座，其中超过200m的有14座，坝高超过300m水利大坝在我国也不鲜见。由于我国地理结构上贯穿多条地震带，大坝的抗震性能在设计和工程承建中是非常重要的考核指标，它关系着大坝的安全，以及下游城市和人口的生命和财产安全，尤其是高坝工程。因此，高坝坝体和地基的地震动动力响应研究对于高坝工程安全有重要意义。

抗震试验模拟装置是进行地震工程模拟研究的最有效设施，一般包括：拟静力，拟动力，地震模拟振动台，原位试验等。针对高坝坝体设计尤其需要抗震试验模拟装置。将高坝坝体置于振动台上进行动力响应模拟试验，可通过采集到的试验数据与理论数据的对比，验证与校核大坝的抗震性能，为高坝工程设计和运行安全提供有利保障。

目前，抗震试验模拟装置应用于高坝模拟试验时存在如下显著问题：

1、动水压力的模拟对高坝振动台试验至关重要，其影响程度可达10％以上。实际地震中，水体区域的水体会受到地震振动的影响，简单的静水环境不能完整反映地震过程中的动水压力变化现象；然而，若把水体区域进行缩尺，建立缩尺模型，并建立在振动台之上，就需要振动台的尺寸更大，载重能力更强，振动频率范围更宽，这反过来又将制约模拟试验的缩尺比例；

2、对于高坝而言，加载频率与几何尺寸及载重出现了较大矛盾。地震动可能影响到大坝的第十阶自振动频率，若采用大型振动台模拟，则尺寸可放大，模拟精度提升，但高频无法加载；若采用小型振动台模拟，则可进行高频加载，但几何尺寸较小，模拟精度受限；

3、水体区域水体的频率一般在1～2hz，在坝体抗震试验模拟装置中，水体区域采用与坝体相同的高频加载，无疑会大幅提高模拟费用，且模拟效果并无较大提高。

为了合理、高效、经济地针对大比尺条件下大坝坝体设计进行抗震试验模拟，急需研发出一种可对坝体加载高频，同时在水体区域加载低频，以尽可能精确模拟实际使用情况的抗震试验模拟装置，以期解决大比尺高坝试验模型的抗震试验模拟试验存在的技术瓶颈。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置。其目的是实现大比尺高坝抗震模拟试验的振动频率分区可控模拟，提高抗震试验模拟准确性、合理性、经济性。

本发明采用技术方案如下：

一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置，包括数据采集系统、振动台模块、固设在振动台模块上的地基箱、固设于地基箱内的地基、固设于地基上的坝体；所述振动台模块包括低频振动台和刚性安装在所述低频振动台上的高频振动台；所述地基箱固设在所述高频振动台上，所述坝体伸展至所述地基箱内地基的相对侧壁，将所述地基内的空间分隔出上游水体区域和下游水体区域两部分；所述低频振动台上还固设有水箱，所述水箱与所述地基箱相间隔且并列设置，在所述水箱和地基箱的相邻的侧面分别对应开槽口，并在所述槽口处通过密封连接装置连接所述水箱和地基箱，将所述地基箱的上游水体区域与所述水箱连通成一体；所述上游水体区域内盛装有上游水。

所述地基箱与所述地基之间固设有阻尼边界体，用于模拟所述地基的辐射阻尼效应。

所述阻尼边界体采用高分子硅橡胶材质。

所述密封连接装置为柔性密封连接装置。

所述下游水体区域内盛装有相对所述上游水水位低的下游水。

所述槽口与所述地基形状一致，且所述槽口上端面不低于所述地基表面。

所述数据采集系统包括传感器、数据采集仪，所述传感器和数据采集仪的数据传输为线缆传输和/或无线传输。

所述传感器为布设在所述地基局部的孔隙水压力计和/或土压力计，以及布设在所述坝体局部的加速度传感器、速度传感器、位移传感器、应力-应变传感器中的一种或数种。。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中所述的低频振动台上固设水箱、高频振动台上固设地基箱的方案，相较于现有的大坝地震模拟振动台试验，创造性地为水体区域提供了低频振动激励，实现了对地震过程中的动水压力变化现象的模拟技术。这种方式可以解决大比尺高坝坝体抗震试验模拟装置静水环境不能完整反映振动过程中的动水压力变化的问题。

(2)本发明中所述的低频振动台上固设高频振动台的方案，创造性地将低频大行程振动台与高频小行程振动台的特性相结合，实现了坝体和地基的高-低频同时加载的技术，实际应用中可以解决大比尺高坝坝体抗震试验模拟装置加载高频振动也不影响模拟精度的问题。

(3)本发明涉及的振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置，可以对坝体抗震试验模拟装置进行不同区域施加不同频率的振动激励，即能对水体加载低频，对坝体加载高频和低频，无需对大比尺高坝坝体抗震试验模拟装置整体加载高频，从而降低了试验成本。

附图说明

图1为本发明振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置的三维轴侧结构示意图

图2为本发明振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置的俯视结构示意图

图3为图2中a-a剖面的结构示意图

图4为图3中b-b剖面的结构示意图

图5为图3中c-c剖面的结构示意图

其中：1—高频振动台2—低频振动台3—地基箱4—阻尼边界体5—地基6—坝体7—密封连接装置8—水箱9—上游水体区域10—下游水体区域11—槽口12—传感器13—数据采集仪

具体实施方式

本发明涉及一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置，主要用于大比尺高坝抗震试验模拟装置，以解决大比尺高坝设计模拟试验中模拟环境不合理、模拟精度不够、模拟成本高的技术问题。

下面结合附图1～5，用具体实施例对本发明技术方案做进一步解释：

一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置，包括数据采集系统、振动台模块、固设在振动台模块上的地基箱3、固设于地基箱3内的地基5、固设于地基5上的坝体6；振动台模块包括低频振动台2和刚性安装在低频振动台2上的高频振动台1；地基箱3固设在高频振动台1上，坝体6伸展至地基箱3内地基5的相对侧壁，将地基5内的空间分隔出上游水体区域9和下游水体区域10两部分；低频振动台2上还固设有水箱8，水箱8与地基箱3相间隔且并列设置，在水箱8和地基箱3的相邻的侧面分别对应开槽口11，并在槽口11处通过密封连接装置7连接水箱8和地基箱3，将地基箱3的上游水体区域9与水箱8连通成一体；

上游水体区域9内盛装有上游水。

地基箱3与地基5之间固设有阻尼边界体4，用于模拟地基5的辐射阻尼效应。

阻尼边界体4采用高分子硅橡胶材质。

密封连接装置7为柔性密封连接装置。

下游水体区域10内盛装有相对上游水水位低的下游水。

槽口11与地基5形状一致，且槽口11上端面不低于地基5表面。

数据采集系统包括传感器12、数据采集仪13，传感器12和数据采集仪13的数据传输为线缆传输和/或无线传输。

传感器12为布设在地基5局部的孔隙水压力计和/或土压力计，以及布设在坝体6局部的加速度传感器、速度传感器、位移传感器、应力-应变传感器中的一种或数种。

下面结合附图1～5，更具体的解释本发明的技术方案：

高频振动台1和低频振动台2均应包括振动台面和提供激励的激振力发生器。在本技术领域，激振力发生器一般包括油源供能系统、液压缸加载系统、数据控制系统。本实施例采用惯用技术手段：油源供能系统为液压缸的往复运动提供能源，液压缸推动振动台并带动其上的试验对象一起振动；数据控制系统可对振动台的振动幅度、频率进行监测，并根据监测数据进行实时迭代修正，以确保振动台的振动时程符合预期，同时保证振动台的运行安全。本实施例中包括两个频率输出的激振力发生器，对应的为高频振动台1和低频振动台2提供激励。高频振动台1接受高频小行程激励，低频振动台2接受低频大行程振动激励。

本实施例中，低频振动台2台面尺寸为20m×15m，接受25hz以下的低频振动输入；高频振动台1的台面尺寸为6m×10m，接受25～50hz左右的高频振动输入；高频振动台1和低频振动台2之间通过螺栓连接。高频振动台1上固设的地基箱3尺寸为6m×7.5m×10m，地基箱3内固设有地基5和坝体6，坝体6的坝高300m，按照1:80比尺进行试验，模型坝体6的坝高为3.75m，坝基土体深度、上游和下游范围均取为1倍坝高，左右岸坝基土体范围取为半倍坝高，最终地基箱3及其上的地基5和坝体6总重量800t。坝体6的第10阶自振动频率率约5.0hz，按重力相似准则计算，若要模拟该阶频率的动力响应，高频振动台1需接受45hz的振动频率输入；本实施例装置中的高频振动台1可满足试验的频率要求；试验中需提供给上游水体区域9水体的频率约为4.47hz～17.9hz，本实施例装置中的低频振动台2的工作频率可满足试验的频率要求；试验时，低频振动台2将25hz以下的(地震)振波输入，传递至高频振动台1，高频振动台1独立提供高于25hz的(地震)振波输入，并与低频振动台2传入的(地震)振波合成输入至地基5底部；地基5及其上的坝体6和下游水体10均受到合成后的(地震)振波输入，其中下游水体10虽然受到高频振动的影响，但由于其水深较小，对整体试验的影响有限；上游水体区域9水体则不受高频振动台1的高频(地震)波输入影响，仅受到低频振动台2的低频(地震)波输入作用，从而实现了高、低频分区模拟。这种模拟跟接近实际情况。

具体到本实施例，盛装上游水的水箱8的尺寸为6m×7.5m×6m，水箱8及其水体的总重量约300t。

本实施例中，阻尼边界体4采用高分子硅橡胶材质，固设在地基箱3与地基5接触面之间。

本实施例中，地基箱3、水箱8上分别开槽口11。槽口11开在并行放置的地基箱3、水箱8正对的相邻侧面上，与地基的形状一致，槽口11上端面高出地基5表面一定高度(本实施例高出地基5的距离为一个水箱8的厚度)，为的是在保证地基5安全的情况下，尽可能加大槽口11的开口面积，模拟真实情况，同时方便密封连接装置7的安装。密封连接装置7要保证在所有横截面上横跨在地基箱3、水箱8上槽口11的断面上，并将密封连接装置7的两个支脚分别埋入地基箱3、水箱8实体内，以保证密封。

密封连接装置7为柔性密封连接装置，可以采用如密封圈、橡胶件等弹性零件，或包含弹性零件的部件。本实施例采用止水带。

本实施例中，在坝体6的坝顶上每个坝段都布设至少1个传感器12，这些传感器12可以是加速度传感器、速度传感器、位移传感器中的一种或任意组合；在坝体6的下游坝面适当位置布设应力-应变传感器；在地基5适当位置埋设土压力计和空隙水压力计中的一种或组合；数据采集仪13根据传感器12类型匹配设置。本具体实施例中，传感器12和数据采集仪13的数据传输为有线传输。

将坝体6两侧水域进行高、低频分区模拟，不仅实现了地震动力响应的精细模拟，而且在一定程度上降低了高频振动台尺寸和载重等方面的技术要求，从而可实现更大比尺的模型试验。

本实施例中，通过低频振动台2上安装高频振动台1的方式实现了对高频振动台1上试验对象同时加载高频和低频激励；同时对直接固设在低频振动台上的试验对象保留了低频激励而不施加高频激励，进而实现了振动频率的分区可控。其中高频和低频都是相对而言的，对于不同的试验对象，频率的高、低界定有所不同，与具体的振动台尺寸、载重及其相应的激励频率的技术要求限制有关。

实际应用中，不同频率振动台的布设有多种组合形式，可以重叠布设，也可以单独布设，等等；若有必要，还可以采用两种以上频率的振动台以多种形式组合布设，依具体试验而定。振动台模块的多种组合布设形式的改变均属于本发明的保护范围之内。

以上为结合附图对本发明的优选实施例进行的描述。但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式的结构和方法的改变。凡是现有技术中通过结构和零部件的简单变换，以达成本发明的目的，均属于本发明的保护范围。