用于地震振动台模型试验的半透明剪切模型箱

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种用于地震振动台模型试验的半透明剪切模型箱。

背景技术

目前，由于岩土地震工程领域缺乏足够的地震现场实测数据，通常需要通过开展室内模型试验来获得可靠的地震响应数据。振动台试验是最重要的一类室内模型试验，已由最先应用于结构工程领域扩展到岩土地震工程领域，但关于模型试验边界效应和地基土相似性等问题上，仍存有一些争议之处。由于土的“参与”，振动台模型试验首先需要设计一个模型箱。传统的模型箱容积有限，振动过程中箱体边界存有较强的反射效应，而且无法实时观测内部土样的位移变化，难以准备模拟原型地基的自由场条件，直接影响试验结果的可靠性。正因如此，半透明叠层剪切模型箱的设计和制作成为振动台试验前期准备的一项重要工作，直接关系到振动台试验的成功与否。

在有关土-结构相互动力作用的试验中，国内外常用的模型箱有刚性模型箱、圆筒型柔性模型箱和叠层剪切变形模型箱三种类型。刚性模型箱由于其刚度大，往往不能模拟地基土在地震作用下的剪切变形，“模型箱地震波反射效应”十分明显且无法消除。圆筒型柔性模型箱的关键点在于对连接纤维带的间距要求比较严苛，边界效应一般无法忽略。叠层剪切变形模型箱因具有能准确模拟土的边界条件和地震剪切变形等特点而被国内外研究者广泛采用。

发明内容

鉴于现有技术的不足和装置的不便，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于地震振动台模型试验的半透明剪切模型箱，是一种不但可模拟地震作用下天然地基自由场响应且可实时观测内部土样位移变化的半透明叠层剪切振动模型箱，也即具有实时观测内部土体变形、结构简单、便于安装、最大横向位移可控、地震前后土体抗剪强度可测等特点的半透明叠层振动剪切模型箱及其附属土体性能测试装置。

为解决上述问题，本发明提供的用于地震振动台模型试验的半透明剪切模型箱，包括模型箱主体，其特征在于：所述模型箱主体的底部设有刚性底座；

所述刚性底座用若干螺栓与振动台台面固定；在刚性底座上设有若干同材质的立杆和吊环，所述吊环与立杆的端部通过螺纹连接；所述立杆围绕模型箱主体四周且对称布置，组成吊装系统，便于模型箱主体的安装与移位；

所述刚性底座的上表面自下往上依次由第1层至第n层等厚度的矩形半透明剪切框叠合而成；除第1层剪切框固定在刚性底座上外，其余n-1层剪切框均为能发生横向位移的活动层；其中n>3，n为自然数；

上下相邻两层剪切框包括上部框架和下部框架；在上部框架和下部框架之间沿剪切框长边均置有若干个独立且处在同一水平面上的滚动系统；所述滚动系统包括下表面凹槽、上表面凹槽、滚珠和线性轴承；

所述下表面凹槽和上表面凹槽分别沿上下相邻两层剪切框部框架、下部框架之间长边方向的下、上表面布置；上下相邻两层剪切框之间存在着凹槽长度差，且上部框架的下表面凹槽长于下部框架的上表面凹槽，以确保在有限位保护的前提下相邻剪切框能发生自由横向位移；

除模型箱主体最顶部的剪切框外，其余剪切框沿长边方向的上表面凹槽内均安置有滚动系统的线性轴承和若干滚珠；所述线性轴承装置在上表面凹槽内；若干所述滚珠固定在线性轴承中，以实现若干滚珠之间的相对位置不产生偏移；且线性轴承长度小于上表面凹槽，以保证滚珠与线性轴承的接触面之间为滚动摩擦。

作为优选方案，当n＝10时，所述刚性底座的上表面自下往上依次由第1层至第10层等厚度的矩形半透明剪切框叠合而成；除第1层剪切框固定在刚性底座上外，其余9层剪切框均为能发生横向位移的活动层。

进一步地，所述剪切框的短边和长边分别由铝合金板和透明亚克力板构成，铝合金板和透明亚克力板两者之间通过螺杆固定连接；所述透明亚克力板形成一对有效的观察面，便于观测地震过程中每层剪切框中土的位移变化。

更进一步地，所述剪切框围构的剪切模型箱内部设有特制透明防渗柔性橡皮膜；所述橡皮膜尺寸与剪切模型箱内部空间大小完全贴合，且橡皮膜的上部四周固定在剪切模型箱最顶层剪切框的顶面。

本发明最优的技术方案中，上述剪切模型箱在其刚性底座上设有吊装系统，其刚性底座上表面自下往上依次由第1层至第10层等厚度的半透明矩形剪切框叠合而成模型箱。剪切框的长边是透明的亚克力板，短边是刚度较大的铝合金，在确保模型箱足够刚度条件下形成一对观测面。上下相邻两层框架之间沿长边均设置有若干个凹槽，其下部框架上表面凹槽用于放置轴承，每个轴承之间又包含若干个刚性滚珠，其上部框架的下表面的凹槽长度略长于下部框架上表面的凹槽长度，凹槽与滚珠的上部相切。剪切箱内侧安装有尺寸匹配的透明橡皮膜，橡皮膜的上部固定于模型箱的顶部。附属土体性能测试装置则是在剪切模型箱吊装完成后安设于其两侧立杆上。

上述的吊装系统，由刚性底座及其四周对称设有同材质的立杆和吊环组成，吊环通过螺纹与立杆的端部连接。

为了更好地应用本发明，还可以加装一个附属土体性能测试装置，由横梁、升降台、测杆、导杆及门型框架组成，升降台与门型框架之间为焊接，构成了测试装置的上部结构，其下部结构由立杆及横梁通过螺杆连接而成。在上部结构的升降台顶面以及下部结构的横梁上均设有一定长度的导轨。

本发明的优点及有益效果如下：

1、采用铝合金板和亚克力板组成的剪切框，不但实现了模型箱的透明性以便于实时观测内部土体的位移变化，而且能够最小化框架质量对模型的影响。在振动台试验中，在垂直于地震动方向，刚度较大的铝合金框可承受土体的动压力，在平行于地震动方向，侧向土体压力基本为静压力，刚度较小的亚克力板完全可以承受。因此，在整个试验过程中模型箱框架结构受力合理，基本不会发生变形。

2、由刚性底座、立杆以及吊环形成的吊装系统不但便于叠层剪切模型箱安装在振动台上，而且对整个叠层剪切箱起保护作用，可有效避免在振动台试验中出现矩形铝合金和亚克力板叠层框架滑落等安全事故。

4、吊环与立杆之间采用螺纹连接，吊环与立杆的高度可以调节，以方便日后因为试验需要而增加叠层的数量。

5、每两层矩形剪切框上下表面凹槽之间存在着长度差，可有效控制矩形铝合金和亚克力板剪切框发生的最大横向位移。

6、凹槽、滚珠和轴承组成了滚动体系，该滚动体系确保各层面框架结构能产生水平自由位移；凹槽长度略大于轴承长度，这样始终能使滚珠与接触面之间实现滚动摩擦，保障了较好的试验效果和模型箱的耐用性。

7、分散设置了多个滚动体系，且每个滚动体系含有多个滚珠，共同承担上部压力，极大降低了每个滚珠所承受的上部压力，且滚珠表面经过抛光和浸油润滑处理，大大增加了滚珠的使用寿命。

8、与现有技术相比，本发明所开凹槽的形状为矩形，并非为其它剪切模型箱使用的弧形凹槽，且凹槽长度略大于轴承长度，这样不但可确保多个滚动体系处在同一水平面上、单层框架在振动前后不发生倾斜，保障实验过程的安全行以及结果的可靠性。

9、剪切箱内侧安设有特定的透明橡皮膜，可防止模型箱内土和水的泄露，且不影响模型箱的振动特性和便于观测内部土层发生的位移变化。

10、加装的附属土体性能测试装置上设有升降台，通过升降台不但可以装卸试验所需特定的测杆，而且可以调节测杆的测试高度，升降台上部以及横梁上均设有导轨，沿着导轨升降台和门字型框架可实现一定长度的移动，实现较大范围内土体的性能测定。测杆旁还安装有一根导杆，保证升降台在上下升降时始终保持垂直。

附图说明

图1为本发明用于振动台实施例的立体图；

图2为本发明用于振动台实施例的主视图；

图3为本发明用于振动台实施例的侧视图；

图4为适用于振动台实施例框架的俯视图；

图5为图2的A局部放大图；

图6为图5的B局部放大图；

图7为本发明用于振动台实施例的附属土体性能测试装置侧视图。

图中：刚性底座1，铝合金和亚克力板剪切框2，立杆3，吊环4，滚动体系5，螺栓6，相邻铝合金和亚克力板剪切框的上部剪切框7，轴承8，滚珠9，相邻铝合金和亚克力板剪切框的下部剪切框10，门字型框架11，升降台12，测杆13，横梁14，导杆15。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1～7所示，用于地震模型试验的叠层剪切模型箱，底部为刚性底座1，刚性底座1用螺栓6与振动台台面固定，在模型箱四周均对称设有同材质的立杆3和吊环4，吊环4与立杆3的端部通过螺纹连接。刚性底座1的上表面自下往上依次由第1层至第10层等厚度的矩形半透明剪切框2叠合而成，除第1层固定在刚性底座1上外，其余9层均为可以发生横向位移的活动层。

在本发明实例中，上下相邻两层框架之间沿长边均设置有若干个独立且处在同一水平面上的滚动系统5，滚动体系5由上部框架的下表面的凹槽10、下部框架的上表面凹槽7、轴承8和滚珠9形成。

为了确保在有限位保护的前提下相邻剪切框能发生自由横向位移，上下相邻剪切框之间存在着凹槽长度差，且上部框架下表面的凹槽10略长于下部框架上表面的凹槽7。

加装附属土体性能测试装置，只需将沿着长边的吊环3卸下，在其上面的立杆4加装一根横梁14，再将门字型框架11通过螺杆安装于横梁14之上，最后可根据试验需求在升降台12上装上特定的测杆13以及导杆15。

本发明在振动台试验的具体试验步骤及注意事项：

(1)试验前依次安装好刚性底座1及固定剪切框和2-10层的活动层剪切框2。

(2)在叠层剪切模型箱内安设有特制的透明橡皮膜，此时应保证橡皮膜的尺寸与剪切模型箱内部空间大小已经完全贴合并且其上部四周也完全固定在最顶层剪切框的顶面。

(3)将试验土体放入模型箱内，此时应保证箱内不会有土和水溢出。

(4)采用由刚性底座1、立杆3和吊环4组成的吊装系统，将装有土的叠层剪切模型箱放置在振动台面上。

(5)通过螺栓6将刚性底座1和振动台面固定，此时应该保证各层剪切框之间处在同一水平面上且没有发生任何错位。

(6)若需在试验前后测试土层具体参数，即可在试验开始前加装土体性能测试装置，分别安装门字型支架11和试验所需的特定测杆以及保证升降台12在升降过程中保持垂直的导杆15。

(7)检查确认安装质量及相关准备工作就绪后，开启振动台，叠层剪切模型箱与其内部的土体及其它结构单元发生地震运动，同时记录好相关试验数据便于日后分析。