一种三维叠层剪切模型箱的制作方法

本发明涉及一种用于振动台试验的三维叠层剪切模型箱装置。

背景技术：

当前，振动台试验在岩土工程领域逐渐得到应用。在应用振动台试验研究土-结构动力相互作用时，需要为土提供符合条件的容器，即模型箱。模型箱容积有限，且会随台面振动而振动，因此模型箱中土体不能完全模拟自由地基条件，不能合理模拟地基土的无限边界条件，这为试验造成了极大困难。用于振动台试验的模型箱设计也成为了土-结构动力相互作用振动台试验当中的一项重要工作，设计合理的模型箱是顺利完成振动台试验的前提条件。

典型的模型箱主要有刚性模型土箱、圆筒形柔性模型土箱和层状剪切模型土箱三类。其中，刚性模型土箱整体刚度大，箱壁侧向变形小，边界反射较强，需考虑摩擦效应，易产生较大的边界效应；圆筒形柔性模型土箱具有柔性，但刚度难以控制，土层易产生弯曲变形；层状剪切模型土箱是当前较为理想的一类模型土箱，其由若干独立的层状框架拼装而成，框架间可以产生水平方向的相对滑动，可以实现土层的剪切变形，较好地模拟土体边界条件。

目前已有的层状剪切模型土箱多应用于振动方向为一维或二维的振动台试验，而复杂工程结构的土-结构动力相互作用研究则需要考虑三向地震输入的作用，即需要使模型土箱实现两个互相垂直的水平方向和一个竖直方向的振动。现有的层状剪切模型土箱多为矩形，需设置限位装置以防其产生过大位移，成本高且安装复杂，难以较好地满足模型试验要求。现有层状剪切模型土箱层间连接多采用弹簧、螺钉、轴承、滚珠等，使得层间摩擦较大，仅能使模型箱框架在两个相互垂直的水平方向或单一的水平方向移动，不能使模型箱框架在三个方向上自由移动，影响了模型土的特性研究，且不能有效限制层间相对位移。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是克服现有层状剪切模型土箱及其连接件的不足，提供一种三维叠层剪切模型箱，通过对三维限位连接件的设计，使模型箱框架在两个相互垂直的水平方向和一个竖直方向自由移动，更有效模拟土体边界条件。本发明的技术方案如下:

一种三维叠层剪切模型箱，由h型铝合金层状框架拼接组成，相邻h型铝合金层状框架的腹板之间通过多个连接件进行连接，其特征在于，所述的限位连接件为三维限位连接件，包括移动构件、限位控制件和固定构件，其中，

移动构件，包括万向球和牛眼接头，牛眼接头穿过上层框架腹板后与万向球固定连接，万向球下方为可自由滚动的钢珠，置于下层框架腹板上，与其点接触，能实现水平方向的无摩擦自由移动；

限位控制件，包括带榖平行挡片、下座和对称限位开孔，带榖平行挡片中部有一圆环，两侧有对称的两翼，牛眼接头和万向球连接后共同套于带榖平行挡片中部的圆环中，下座两侧具有对称限位开孔，带榖平行挡片的两翼分别插于下座两侧的对称限位开孔中，用以限制万向球的移动方向，使其仅能在相互垂直的两水平方向和一个竖直方向移动，并使得万向球在竖直方向向上的移动距离限制一定范围内，下座上部有一圆孔，供移动构件穿过和移动，下座的圆柱形外壁限制万向球在水平方向的移动距离，使得万向球在水平各方向上均在一定范围内移动；

固定构件，用于将三维限位连接件固定于模型箱上层框架腹板和下层框架腹板上。

优选地，所述的移动构件还包括置于牛眼接头外的套筒，套筒和牛眼接头共同连接万向球，以增强竖向承载力。拼接后的框架外围设置有多个护栏。拼接后的框架下部通过底板固定。拼接后的框架为圆筒形。

本发明具有以下几个优点:

(1)本发明是一种可用于振动台试验的圆筒形三维叠层剪切模型箱装置，利用层间的三维限位连接件，能实现模型土箱在两个互相垂直的水平方向和一个竖直方向的振动，此装置满足振动台模型试验的要求；

(2)使用三维限位连接件连接层状框架，且其万向球以及带榖平行挡片设计，使得相互连接的两框架层间不产生摩擦力，能有效模拟真实地基情况；

(3)模型箱呈圆筒形，节约材料，层状框架采用h型铝合金制作，能有效满足刚度要求且质量较轻；构造简单，制作方便，功能可靠，使用灵活，能有效节约试验成本。

附图说明

图1是本发明的圆筒形三维叠层剪切模型箱装置俯视图。

图2是本发明的圆筒形三维叠层剪切模型箱装置剖面图。

图3是本发明的三维限位连接件俯视图。

图4是本发明的三维限位连接件剖面图。

图5是本发明的三维限位连接件移动构件示意图。

图6是本发明的三维限位连接件限位控制件示意图。

图中标号说明：1螺栓；2垫片；3牛眼接头；4套筒；5万向球；6带榖平行挡片；7下座；8钢制底板；9h型铝合金层状框架；10三维限位连接件；11护栏；12对称限位开孔；13上层框架腹板；14下层框架腹板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明，以下实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明提供一种用于振动台试验的圆筒形三维叠层剪切模型箱装置及其三维限位连接件，具体试验装置包括：钢制底板8，h型铝合金层状框架9安装于钢制底板8上部；三维限位连接件10安装于h型铝合金层状框架9之间；护栏11布置于h型铝合金层状框架9周边且固定于钢制底板8上。钢制底板8需具有较强的刚度，以满足承载力要求。h型铝合金层状框架9为h型铝合金焊接成的封闭圆环，在竖直方向上等距平行布置，共14层，层间使用三维限位连接件10连接。三维限位连接件10通过螺栓固定于h型铝合金层状框架9的腹板上，每层等距设置6个三维限位连接件10，单个三维限位连接件10具有一定强度以满足承载力要求，三维限位连接件10使层间可发生无摩擦的相对滑动，还能满足竖向位移要求，且水平向与竖向的位移限制在±5毫米内。护栏11由矩形截面钢管焊接而成，共设置8个，等距环绕h型铝合金层状框架9一周且固定于钢制底板8上，防止模型土箱在振动过程中出现过大的水平位移。

在圆筒形三维叠层剪切模型箱外围等距安装的护栏11可实现限制模型箱在振动过程中产生过大水平位移。由铝合金焊接而成的h型铝合金层状框架9具有足够刚度，使模型土体的侧向应变为零，且能够在振动结束后保持其初始状态。层间的三维限位连接件10能使层间在水平方向无摩擦滑动，亦可产生竖直方向的位移，且位移均可限制在一定范围内。

用于圆筒形三维叠层剪切模型箱的三维限位连接件10，具体包括：3枚螺栓1及2片垫片2共同将连接件固定在上层框架腹板13(上层h型铝合金层状框架的腹板)上，同时将套筒4固定于牛眼接头3外围；万向球5上端穿过带榖平行挡片6中部圆环和下座7上部圆孔套于牛眼接头3中；带榖平行挡片6两侧对称的两翼分别插于下座7两侧的对称限位开孔12中，下座7固定于下层框架腹板14(下层h型铝合金层状框架的腹板)上。牛眼接头3、钢制套筒4、万向球5需具有较强的强度，以满足承载力要求。

万向球5下方的钢珠可实现在水平方向的无摩擦自由移动。带榖平行挡片6通过两翼与下座7两侧的对称限位开孔12的插接限制了万向球5的移动方向，使其仅能在相互垂直的两个水平方向和一个竖直方向上移动，同时限制了万向球5在竖直方向上的移动距离，使其仅能在竖直方向上向上5毫米范围内移动。下座7的圆柱形外壁限制了万向球5在水平方向上的移动距离，使其移动距离保持在±5毫米内。竖向的压力全部由牛眼接头3、钢制套筒4、万向球5承担，因此带榖平行挡片6和下座7之间不产生压力，进而不产生摩擦力。

用于振动台试验的圆筒形三维叠层剪切模型箱装置使用步骤为:

(1)使用螺栓连接钢制底板8和一片h型铝合金层状框架9；

(2)自下而上叠合多层h型铝合金层状框架9，层间使用6个等距的三维限位连接件10连接，连接过程中，应保证h型铝合金层状框架9水平，且在竖直方向等距排列；

(3)使用螺栓连接钢制底板8和等距布置的护栏11。

其中，三维连接件的使用步骤为：

(1)使用2枚螺栓1和1片垫片2将钢制套筒4固定于牛眼接头3外围；

(2)将带榖平行挡片6的两翼穿入下座7两侧的对称限位开孔12中，并使两构件中心位于同一条垂线上；

(3)将万向球5上端穿过带榖平行挡片6中部圆环和下座7上部圆孔，并插入牛眼接头3下端的榫卯结构接头；

(4)使用1枚螺栓1和1片垫片2将连接件整体固定于上层框架腹板13(上层h型铝合金层状框架的腹板)上。

(5)将下座7固定于下层框架腹板14(下层h型铝合金层状框架的腹板)上，万向球5下方的钢珠可在腹板上水平滑动。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。