一种可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统论文和设计-韩庆华

全文摘要

本实用新型公开了一种可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统，包括等效剪切梁模型箱、信号控制系统、承压框架和实体钢底板，等效剪切梁模型箱的内部用于填充土体；等效剪切梁模型箱侧壁的内侧设有铝合金薄板；铝合金薄板与土体接触一侧涂抹有胶水；等效剪切梁模型箱放置于实体钢底板的上表面，实体钢底板的底部固定于振动台台面；等效剪切梁模型箱的底部每侧通过L型角钢的短边固定，L型角钢的长边与实体钢底板固定，等效剪切梁模型箱顶部设置有承压框架，承压框架的每侧下垂设置有传力长杆，L型角钢的长边上与传力长杆相对应的设有传力短杆，传力长杆和传力短杆之间连接有电控拉力弹簧器；模型箱的内部土体中和侧壁外部均设置有位移传感器。

主设计要求

1.一种可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统，配合振动台以进行相关振动试验，其特征在于，包括等效剪切梁模型箱、信号控制系统、承压框架和实体钢底板，所述等效剪切梁模型箱的内部用于填充土体，由铝合金框架通过不同厚度的橡胶层相互胶结相连构成，利用橡胶层的柔性和铝合金框架的刚性模拟实际土体的地震动变形响应情况；等效剪切梁模型箱侧壁的内侧设有铝合金薄板，所述铝合金薄板与侧壁接触一侧涂抹有润滑油，以减小和侧壁的摩擦力；铝合金薄板与土体接触一侧涂抹有胶水，以传递土体中的剪应力；所述等效剪切梁模型箱放置于所述实体钢底板的上表面，实体钢底板的底部固定于振动台台面；等效剪切梁模型箱的底部每侧通过L型角钢的短边固定，L型角钢的长边与所述实体钢底板固定，等效剪切梁模型箱顶部设置有承压框架，承压框架的每侧下垂设置有传力长杆，所述L型角钢的长边上与所述传力长杆相对应的设有传力短杆，所述传力长杆和传力短杆之间连接有电控拉力弹簧器；所述等效剪切梁模型箱的内部土体中和侧壁外部均由上到下等间距的排列设置有位移传感器，用于实时监测振动试验过程中土体和对应水平位置的侧壁变形响应情况；所述信号控制系统对位移传感器监测信号进行采集、处理和计算分析，给出所需侧壁垂向压力，即应给与电控拉力弹簧器的拉力，并以电信号形式输出至电控拉力弹簧器实现对等效剪切梁模型箱的侧壁刚度的调节。

设计方案

2.根据权利要求1所述一种可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统，其特征在于，位于铝合金框架的上半部分和下半部分橡胶层的厚度不同。

3.根据权利要求1所述一种可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统，其特征在于，等效剪切梁模型箱的底部侧壁等间距的设有螺纹孔，L型角钢的短边设有与所述螺纹孔相匹配的连接孔，并通过十字螺栓将等效剪切梁模型箱固定。

4.根据权利要求1所述一种可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统，其特征在于，承压框架每侧边中心处分别设有与传力长杆相匹配的螺纹孔，传力长杆上设有螺纹，穿过承压框架的螺纹孔后通过螺母固定。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及可应用于土木、交通、水利及海洋工程结构与土体相互作用的振动台试验的模型箱，具体涉及一种可智能调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统。

背景技术

用振动台试验模拟半无限场地中地震动作用下土—结构的耦合动力响应，用于盛土的模型箱是必不可少的装置。实际地震作用下地层任意剖面的变形响应为剪应力竖向传播作用下的剪切梁。但是，模型箱侧壁使土体受到了边界约束作用，产生模型箱边界效应，导致此类试验结果与实际土体受力变形情况存在较大差异，在试验应用上具有一定局限性。

等效剪切梁模型箱是一种介于刚性和柔性箱之间的振动试验箱体，较大程度地克服了上述试验的问题，可模拟一定土质下地层剪切梁的变形响应特性，消除模型箱边界效应。经过多年的应用发展，尽管等效剪切梁模型箱试验性能得到了有效提升，但仍然存在一些缺陷。现国内外的等效剪切梁模型箱存在的不足之处主要有：

1.受限于振动试验台的尺寸及承重能力，模型箱尺寸太小，会对土中结构模型造成较大的边界效应影响。

2.由于地震动造成的土中剪切变形是随深度非线性变化的，常规等厚度橡胶层不能很好地模拟实际土中剪切应力的分布变化。

3.常规模型箱的侧壁刚度固定不可变，只能模拟一定土壤性质下的土体受力变形，无法针对不同土质及刚度下的土体进行试验模拟，以往需更换不同结构尺寸的模型箱，使用不方便且试验费用昂贵。

4.对于大能量激励的振动试验，固定刚度的模型箱无法满足土体的大范围动刚度变化要求，试验结果在一定时程内无法保证准确性。

基于上述现有等效剪切梁模型箱的缺陷，影响振动试验中实际土体-结构相互作用效果，可模拟的土体类别有限，需要对其进行改进，实现更高的技术经济效益。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服国内外现有等效剪切梁模型箱技术上的缺陷，提供一种适用于不同土质、大能量激励下的可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统，本系统可以实现智能监测、反馈、调控模型箱侧壁刚度，以达到模型箱侧壁刚度与模型土体动态刚度一致性的试验效果。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统，配合振动台以进行相关振动试验，包括等效剪切梁模型箱、信号控制系统、承压框架和实体钢底板，所述等效剪切梁模型箱的内部用于填充土体，由铝合金框架通过不同厚度的橡胶层相互胶结相连构成，利用橡胶层的柔性和铝合金框架的刚性有效模拟实际土体的地震动变形响应情况；等效剪切梁模型箱侧壁的内侧设有铝合金薄板，所述铝合金薄板与侧壁接触一侧涂抹有润滑油，以减小和侧壁的摩擦力；铝合金薄板与土体接触一侧涂抹有胶水，以传递土体中的剪应力；所述等效剪切梁模型箱放置于所述实体钢底板的上表面，实体钢底板的底部固定于振动台台面；等效剪切梁模型箱的底部每侧通过L型角钢的短边固定，L型角钢的长边与所述实体钢底板固定，等效剪切梁模型箱顶部设置有承压框架，承压框架的每侧下垂设置有传力长杆，所述L型角钢的长边上与所述传力长杆相对应的设有传力短杆，所述传力长杆和传力短杆之间连接有电控拉力弹簧器；所述等效剪切梁模型箱的内部土体中和侧壁外部均由上到下等间距的排列设置有位移传感器，用于实时监测振动试验过程中土体和对应水平位置的侧壁变形响应情况；所述信号控制系统对位移传感器监测信号进行采集、处理和计算分析，给出所需侧壁垂向压力，即应给与电控拉力弹簧器的拉力，并以电信号形式输出至电控拉力弹簧器实现对等效剪切梁模型箱的侧壁刚度的调节。

进一步的，位于铝合金框架的上半部分和下半部分橡胶层的厚度不同。

进一步的，等效剪切梁模型箱的底部侧壁等间距的设有螺纹孔，L型角钢的短边设有与所述螺纹孔相匹配的连接孔，并通过十字螺栓将等效剪切梁模型箱固定。

进一步的，承压框架每侧边中心处分别设有与传力长杆相匹配的螺纹孔，传力长杆上设有螺纹，穿过承压框架的螺纹孔后通过螺母固定。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本实用新型等效剪切梁模型箱的尺寸较大，可在大型振动台上进行振动试验，在模型箱土中结构物尺寸一定情况下，能最大限度的降低四周边界对结构作用影响。

(2)采用渐变厚度的橡胶层，可更好地模拟实际土中剪切变形随深度的分布规律；同时减小了模型箱侧壁刚度，即增大了其柔弹性，可提高智能调控系统对侧壁刚度的刚度调节量程，扩大了可模拟的土体类型范围。

(3)通过智能调控侧壁刚度，可以模拟大激励振动作用下的不同土壤性质的土体变形响应特性，操作方便、技术可靠，实现更高的技术经济效益。

附图说明

图1是本实用新型系统的正视结构示意图。

附图标记：1-橡胶层，2-铝合金框架，3-承压框架，4-铝合金薄板，5-螺母，6-传力长杆， 7-电控拉力弹簧器，8-十字螺栓，9-L型角钢，10-实体钢底板，11-信号控制系统，12—位移传感器；13—传力短杆；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，一种可调控侧壁刚度的等效剪切梁模型箱系统，包括等效剪切梁模型箱、智能调节括等效剪切梁模型箱侧壁刚度的信号控制系统11、承压框架3和实体钢底板10；等效剪切梁模型箱内用于填充土体。

等效剪切梁模型箱包括多层等厚度的铝合金框架2，铝合金框架各层之间由不同厚度的橡胶层1胶结连接，上、下部橡胶层厚度不同，利用橡胶层1的柔性和铝合金框架的刚性有效模拟实际土体的地震动变形响应情况。本实施例中等效剪切梁模型箱的铝合金框架2总层数为16层，各层厚度均为110mm。上半部橡胶层(8层)厚度为18mm，下半部橡胶层(7层)厚度为10mm。铝合金薄板的厚度为1mm，尺寸均为5300mm×1970mm。

铝合金框架2的底层框架侧面设置有等间距、与十字螺栓8相匹配的螺纹孔，L型角钢9 的短边中心处设有与十字螺栓8匹配的螺纹孔，十字螺栓8穿过L型角钢9短边螺纹孔，固定在铝合金框架2底部侧面的螺纹孔。

铝合金框架2的顶层框架上部设置有承压框架3，该承压框架3四侧边中心处分别设有与实体螺纹传力长杆6相匹配的螺纹孔，实体螺纹传力长杆6穿过承压框架3的螺纹孔，并通过螺母5固定。L型角钢9的长边中心处设有与实体螺纹传力短杆13相匹配的螺纹孔，通过螺母5和实体螺纹传力短杆13，将L型角钢9的长边固定在实体钢底板10顶部。实体钢底板10底部可固定在振动台台面，连带等效剪切梁模型箱进行相关振动试验，如模拟实际土体的剪切变形运动。

等效剪切模型箱侧壁的内侧设有铝合金薄板4，铝合金薄板4与等效剪切模型箱侧壁接触一侧涂抹润滑油，以减小和侧壁的摩擦力；铝合金薄板与土体接触一侧涂抹胶水，以有效地传递土体中的剪应力。等效剪切梁模型箱的内部土体中和侧壁外部均由上到下等间距的排列设置有位移传感器，位移传感器12用于实时监测振动试验过程中土体和对应水平位置的侧壁变形响应情况。

信号控制系统11对位移传感器12监测信号进行采集、处理和计算分析，给出优化后的所需侧壁垂向压力，即电控拉力弹簧器7应给与的拉力，并以电信号形式输出给电控拉力弹簧器7。电控拉力弹簧器7的下端与实体螺纹传力短杆13相连接，上端与实体螺纹传力长杆 6相连接，对承压框架3施加一定的拉力，实时控制模型箱的侧壁刚度，以保证模型箱侧壁刚度与模型土体动态刚度一致性的试验效果。

上述位移传感器12为试验位移信号监测，信号控制系统11为试验信号的采集、计算分析和控制信号的输出，电控拉力弹簧器7为拉力激励的施加。通过对承压框架3施加拉力，即对模型箱侧壁施加压力，可实时调控模型箱的侧壁刚度(柔弹性)。

本实用新型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实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型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实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

设计图

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