一种双向层状剪切模型箱装置及其使用方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，具体为一种双向层状剪切模型箱装置及其使用方法。

背景技术：

在地震作用下，上覆于刚性基岩的半无限天然土层其反应类似于在竖向传播剪应力作用下的剪切梁，侧向变形近似于正弦曲线，而在振动台模型试验中，原型地基只能在有限尺寸的容器(模型箱)内进行近似模拟。由于容器边界上的波动反射及体系振动形态的改变使模型试验结果与天然土层的地震反应结果有所差异，即“模型箱效应”。因此，好的模型箱设计方案应尽量减少边界条件的干扰，使模型地基重现原型地基在地震作用下的剪切变形。

目前，地下结构振动台试验中常用的模型箱结构形式主要有三种：刚性模型箱、柔性模型箱和层状剪切模型箱。其中，层状剪切模型箱一般由平面刚性框架和上下层框架间的轴承(或橡胶层)叠合而成，刚性框架可对置于箱体内的土体提供侧向约束，而轴承(或橡胶层)允许箱体及模型土体以类似于剪切梁的形式变形，相比较于其他两种模型箱结构，层状模型箱可较好的模拟土体的剪切变形，消除边界效应，因此，近年来国内外有关地下结构的振动台模型试验多由层状剪切模型箱来完成。

我国《建筑抗震设计规范》明确规定，对于不规则地下结构，宜同时计算结构的横向和纵向水平地震作用，但综合层状剪切模型箱的相关试验结果来看，这些试验大多只输入一个方向的地震激励，并且是在平面假定的基础上分析地铁车站结构的地震响应，没有考虑复杂地下结构地震响应的空间效应。另有一些振动台试验的层状剪切模型箱装置，虽然能够在相互垂直的两个方向上进行地震激励，但该模型箱在输入另一方向的地震动时，必须重新安装滑槽内滚珠，操作过程较为繁琐费力。另外，传统模型箱上下层框架间设置的滚珠在超负荷框架压力及动荷载作用下磨损严重，模型箱整体剪切变形难以达到理想状态，导致振动试验因试验数据精度不足而难以模拟土体的实际受力状态，且试验过程中框架层间滚珠系统能否正常工作将直接决定模型箱设备能否重复利用，进而减少不必要的人力和物力的浪费。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种具有双向振动、自重较小、刚度可调、操作简单、耐磨耐用、结构牢固的用于地下结构振动台试验的双向层状剪切模型箱装置，本发明的另一目的是提供一种简单实用、精准度高的用于地下结构振动台试验的双向层状剪切模型箱装置的使用方法。

技术方案：本发明所述的一种用于地下结构振动台试验的双向层状剪切模型箱装置，包括u型层面框架、滚动体系统、限位装置及内衬袋，u型层面框架垂直等间距平行排列，彼此相互独立互不影响，u型层面框架通过层间滚动体系统连接，限位装置用于限制u型框架的平面扭转变形及垂直振动方向变形，底层框架固定于振动台。

滚动体系统可使各层面框架结构间自由产生水平方向的相对变形，以减少边界对波的反射，较好地模拟土的边界条件及土层的剪切变形。滚动体系统包括滚动体承台、滚动体隔离装置、滚动体保持装置、承台固定板和滚动体，滚动体承台侧表面预留两排螺栓孔，上表面铣有相互平行且独立的多道凹槽，通过螺栓一和承台固定板固定于u型层面框架内部，滚动体通过经充分润滑后的滚动体保持装置内置于滚动体承台的凹槽，滚动体隔离装置使滚动体之间相互隔离并保持在滚动体承台的凹槽内，滚动过程中互不干扰、接触且保持在同一平面，共同承担上部压力，滚动体数量根据试验中层面框架结构重量确定。凹槽深度小于滚动体高度，并与保持装置进行连接，凹槽内壁经过抛光等处理，增加其精度和耐磨度，降低表面粗糙度。滚动体隔离装置部分包裹滚动体并随之运动，滚动体可在滚动体隔离装置里自由滚动，滚动体隔离装置使滚动体之间相互隔离并引导滚动体将其保持并稳定在凹槽内。

滚动体可根据试验条件设计为球状或圆柱状，以表面圆润光滑且耐磨损的刚性材料制成，可根据试验条件设计为球状或圆柱状，滚动体置于经充分润滑的保持装置中。滚动体承台由矩形六面体刚性块体制成，滚动体保持装置内置若干滚动体并共同置于凹槽内，滚动体承台宽度略小于u型层面框架的截面宽度，采用承台固定板与u型层面框架进行固定，滚动体承台长度和高度按试验中滚动体移动范围进行调节。滚动体保持装置以刚性材料制成，以避免滚动体在滚动期间产生压痕变形。滚动体保持装置与凹槽结构形状相吻合，置于凹槽内部，表面经抛光处理，增加其精度和耐磨度，降低表面粗糙度，以减少滚动体滚动过程中的磨损，增强滚动体的耐磨耐用性能。

u型层面框架的间距以滚动体能接触到上一层u型层面框架底板为准。u型层面框架侧壁预留l型螺栓孔，用于与滚动体承台连接。l型螺栓孔竖向长度要大于滚动体承台底部到u型层面框架底板的距离，以防滚动体承台不能顺利下降。u型层面框架的截面形状为u型且上下层相同，底层框架通过螺栓三固定于振动台。u型层面框架为薄壁型钢框架或铝合金框架。u型层面框架底板距侧板根部距离按滚动体尺寸确定，侧板厚度可根据试验条件进行调节，u型层面框架需具有一定深度可容纳滚动体承台上下调动。使u型层面框架层间间隙尺寸根据设计要求自行调控。

限位系统包括横梁、h型钢立柱、轴承杆、轴承、限位板和螺栓二，h型钢立柱一端与横梁相连，另一端与振动台相连，h型钢立柱腹板上与层面框架结构对应位置焊接上下两块横向钢板，在钢板上采用钻孔、焊接的方式将轴承的轴承杆固定在钢板上，并在试验前装设轴承。在沿与振动相垂直方向的箱体前后侧壁安装若干块尺寸相同的限位板，通过螺栓二与箱体相连。限位板一般以厚度为1～3mm厚度的钢板制成，高度与模型箱的高度相同，宽度按试验要求确定。限位板的灵活使用有效的满足了改变箱体刚度的要求。振动方向变化时应先将限位构件进行拆除并置换至另一方向。u型层面框架距离箱体顶面最近的一层框架表面设置内衬袋，内衬袋为2～3mm厚度的内衬橡胶袋。内衬橡胶袋的尺寸略大于模型箱内部尺寸。模型箱装土前，内衬袋可通过条形薄钢板和紧固螺栓固定于箱体顶层u型层面框架的表面，以保证在装土时橡胶袋不从箱壁滑落。内衬材料不但可以阻挡土、水外漏，并且还可以起到减小“边界效应”的作用。

上述用于地下结构振动台试验的双向层状剪切模型箱装置的使用方法，包含以下步骤：

a、滚动体保持装置和滚动体隔离装置经充分润滑后内置若干滚动体，并共同置放于滚动体承台的凹槽内，通过螺栓一将沿振动方向布置的滚动体承台固定在u型层面框架的l型螺栓孔上端的横向条孔内，并将与振动垂直方向的滚动体承台固定在u型层面框架的l型螺栓孔的下端；

b、将u型层面框架垂直等间距平行排列，上下框架间以滚动体系统相连接，组装为模型箱箱体，并通过螺栓三固定于振动台上；

c、在h型钢立柱腹板上焊接钢板并安装轴承使其与横梁、限位板组装为限位装置，固定在振动台上；

d、箱体内部铺设内衬袋并在箱体内加装土体并埋置模型结构；

e、试验开始，操控振动台设备进行单方向振动；

f、振动方向变化时，升高垂直振动方向的滚动体承台并通过螺栓一将滚动体承台固定于u型层面框架的l型螺栓孔上端的横向条孔内，使滚动体与上层u型框架底部接触，同时将沿振动方向设置的滚动体承台高度下降，使其脱离工作系统，并拆除沿振动方向的限位装置，将其置换到与振动相垂直方向，继续操控振动台设备进行另一方向振动试验。

工作原理：本方案可实现对模型地层与地下结构在模拟双向地震信号输入下的动力响应的测试研究，实施过程中，u型层面框架为滚动体系统提供了工作空间，上下调节的滚动体承台可将垂直于振动方向的滚动体及时脱离工作系统，一方面有效实现了模型箱的双向振动，另一方面避免了滚动体在承台凹槽内的滑动摩擦，使滚动体处于滚动摩擦状态，降低了滚动体的磨损。u型层面框架结构用于对模型土体提供侧向约束力，其构成材料为刚性且轻质，可有效减少模型箱装置的重量，降低模型土体和模型箱由于惯性作用产生的相互作用力。试验过程中，u型层面框架需提供足够的刚度以避免因土压力作用而使得模型箱产生侧向鼓胀变形，增大限位系统对箱体框架的摩擦阻力。滚动体系统可使各层u型层面框架间自由产生水平方向的相对变形，限位系统限制了层面框架振动过程中由于台面土体质心和台面中心不重合等问题产生的平面扭转变形及在与振动垂直方向的位移和变形，使模型箱在振动过程中只发生单向(振动方向)的剪切变形。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、具有可双向振动、自重较小、刚度可调、操作简单、耐磨耐用、结构牢固等特点，可重复进行一维或二维振动台试验，满足大型振动台阵复杂地震动输入的需要；

2、u型层面框架有效减少了模型箱装置的重量，降低了模型土体和模型箱由于惯性作用产生的相互作用力，且可使u型框架层间间隙尺寸根据设计要求自行调控。轻质刚性的层面结构可为模型土体提供侧向约束力，避免框架结构因土压力作用产生侧向鼓胀变形，“叠层式”层面框架结构不仅受力机制更符合实际土体的成层特性，且u型层面框架水平方向的自由振动减少了边界对波的反射，可较好地模拟土的边界条件及土层的剪切变形，有效降低边界条件的干扰，另外，u型层面框架为滚动体承台提供了安装及上下调动空间，为模型箱的双向振动提供了可能；

3、滚动体系统可使各u型层面框架结构间自由产生水平方向的相对变形，可上下调动的滚动体承台可在转换振动方向时及时将垂直于振动方向的滚动体脱离工作系统，一方面有效实现了模型箱的双向振动，另一方面避免了滚动体在承台凹槽内的滑动摩擦，使滚动体处于滚动摩擦状态，降低了滚动体的磨损。且在改变模型箱的震动方向时，不需重新安装滑槽内滚动体，操作简单方便；

4、设置滚动体保持装置和隔离装置，使每一个凹槽内可同时使用多个滚动体，保持装置可使滚动体保持并稳定在凹槽内，多滚动体系统增强了滚动体的整体性及承压能力，隔离装置将滚动体与承台隔离，有效减少了滚动体与承台凹槽之间的相互磨损，且可使滚动体之间运动过程中相互隔离互不影响。保持装置和隔离装置制作简单，造价低廉，易于更换，凹槽结构增大了滚动体与凹槽的受力接触面积，进一步减少了滚动体滚动过程中的磨损；

5、滚动体形状可根据试验条件进行选择，有效的避免了在重压力作用下只采用一种形式滚动体的局限性，且滚动体与凹槽间的摩擦方式为滚动摩擦，相比于其他结构的滑动摩擦方式，可降低滚动体的摩擦受力，提高滚动体的耐磨耐用性能，滚动体的有效使用可使模型箱整体剪切变形保持在理想工作状态；

6、限位系统能够限制由于台面土体质心和台面中心不重合等问题产生的平面扭转变形及在振动垂直方向的变形，使模型箱在振动过程中只发生单向(振动方向)的剪切变形，限位板的灵活使用满足了改变箱体刚度的要求；

7、设置内衬袋以阻挡土、水外漏，还可以起到减小“边界效应”的作用。

附图说明

图1是本发明沿振动方向正视图。

图2是本发明沿振动垂直方向正视图。

图3是本发明h型钢立柱2的结构示意图。

图4是本发明u型层面框架4的俯视图。

图5是本发明u型层面框架4的剖视图。

图6是本发明l形螺栓孔7的正视图。

图7是本发明滚动体承台501的俯视图。

图8是本发明滚动体承台501的剖视图。

图9是本发明滚动体承台501的正视图。

具体实施方式

如图1～3，双向层状剪切模型箱装置的箱体底部有振动台3，彼此独立的多层u型层面框架4垂直等间距平行排列，由层间滚动体系统5连接，u型层面框架4的截面形状为u型且上下相同。u型层面框架4侧壁预留l型螺栓孔7，用于与滚动体承台501连接。h型钢立柱2腹板与u型层面框架4对应位置焊接上下两块横向的钢板6，钢板6上采用钻孔、焊接的方式将轴承204的轴承杆203固定在钢板6上，横梁201与h型钢立柱202顶端连接，h型钢立柱202底部焊接横向钢板6与振动台3台面连接，沿与振动相垂直方向的箱体前后侧壁安装若干块尺寸相同的限位板205，限位板205一般以厚度为1～3mm厚度的钢板制成，高度与模型箱高度相同，宽度按试验要求确定，采用螺栓二206与箱体进行连接。模型箱装土前，内衬袋1可通过条形薄钢板和紧固螺栓固定于箱体顶层u型层面框架4表面，以保证在装土时橡胶内衬袋1不从箱壁滑落。防止土或水渗漏的内衬袋1可采用2～3mm厚度的橡胶袋，橡胶内衬袋1尺寸与模型箱内部尺寸相同。

如图4～9，最底层的u型层面框架4通过螺栓三8固定在振动台3，u型层面框架4侧壁预留l型螺栓孔7与滚动体承台501固定。滚动体承台501预留两排螺栓孔506并通过螺栓一507和承台固定板504固定于u型层面框架4，滚动体承台501上表面铣有相互平行且独立的多道凹槽508，滚动体12通过滚动体隔离装置502、滚动体保持装置503与滚动体承台501相连接。滚动体隔离装置502可部分地包裹滚动体505，并随之运动，滚动体505可在滚动体隔离装置502里面自由滚动，滚动体隔离装置502使滚动体505之间相互隔离并引导滚动体505将其保持并稳定在凹槽508内。滚动体保持装置503与凹槽508结构形状相吻合，置于凹槽508内部，用于减少滚动体505及滚动体隔离装置502与滚动体承台501的摩擦。

试验开始，操控振动台3进行单方向振动。

振动方向变化时，升高垂直振动方向的滚动体承台501并通过螺栓一507将滚动体承台501固定于u型层面框架4的l型螺栓孔7上端的横向条孔内，使滚动体12与上层u型框架4底部接触，同时将沿振动方向设置的滚动体承台501高度下降，使其脱离工作系统，并拆除沿振动方向的限位装置2，将其置换到与振动相垂直方向，继续操控振动台3进行另一方向振动试验。