反力式叠层剪切模型箱的制作方法

1.本实用新型涉及土木工程领域，具体涉及一种反力式叠层剪切模型箱。


背景技术：

2.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，但由于振动台造价十分昂贵和试验程序较为繁琐，难以满足日益增长的地震模型试验需求。因此，有必要开发出一套操作简便、成本较低的新型室内地震模型试验装置。


技术实现要素：

3.鉴于开展振动台地震模型试验的经济耗费及技术成本巨大，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可替代振动台地震模型试验的，同时又具有结构简单、便于安装、最大横向位移可控等特点的一种反力式叠层剪切模型箱，在拟静力条件下，通过组装静力台、反力墙以及往复作动器等简易器材来模拟地震荷载效应，可实现在无振动台设备条件下开展低成本的室内地震模型试验研究。
4.为解决上述问题，本实用新型提供的反力式叠层剪切模型箱，包括模型箱主体，其特征在于：其特征在于：所述模型箱主体的底部设有刚性底座和静力台；
5.所述刚性底座用若干螺栓与静力台的台面固定；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两边且对称布置，组成吊装系统，便于模型箱主体的安装与移位；
6.所述刚性底座的上表面自下往上依次由第1层至第n层等厚度的硬铝合金剪切框叠合而成；除第1层剪切框固定在刚性底座上外，其余n
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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；
7.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体系；所述滚动体系包括下表面凹槽、上表面凹槽、滚珠和轴承；
8.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上部框架、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；
9.在静力台的左端部设有反力墙，沿高度方向依次安装有与第1层至第n层剪切框框架中心高度一致对应的若干往复作动器；还包括若干连接器，所述往复作动器的端部通过连接器与相应高度的剪切框铰接，以保证在往复作动器作用下剪切框不发生侧向偏移，从而实现剪切框仅在水平长度方向发生往复位移；所述往复作动器是按力或位移往复控制输出的，因此能模拟地震荷载所致的自由场变形或地基惯性力，能应用于地震模型试验；
10.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
有滚动体系的轴承和若干滚珠；所述轴承装置在上表面凹槽内；若干所述滚珠固定在轴承中，以实现若干滚珠之间的相对位置不产生偏移；且轴承长度小于上表面凹槽，以保证滚珠与轴承的接触面之间为滚动摩擦。
11.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层等厚度的硬铝合金剪切框叠合而成；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。
12.进一步地，所述剪切框围构的剪切箱内侧安设有橡皮膜，以适应剪切箱的内部尺寸并防止试验时剪切箱内土体和水发生泄漏。
13.更进一步地，所述橡皮膜为防渗柔性橡皮膜；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。
14.上述反力式叠层剪切模型箱，即可替代振动台地震模型试验的反力式叠层剪切模型箱试验装置，在静力台的左端部设有反力墙，反力墙上分别装有与各活动层框架高度相对应的往复作动器，其端部通过连接器与各活动层硬铝合金框相连。由于往复作动器可按力或位移往复控制输出，因此可模拟地震过程中地基土的自由场变形及所受的地震惯性力。在其刚性底座上设有吊装系统以及导向系统，其刚性底座上表面自下往上依次由第1层至第10层等厚度的矩形硬铝合金剪切框叠合而成模型箱。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橡皮膜，橡胶膜的上部固定于模型箱的顶部。本实用新型中的吊装系统及导向系统，由刚性底座及沿其长度方向对称设置的同材质立杆和吊环组成，吊环通过螺纹与立杆的端部连接。
15.本实用新型的工作原理如下：
16.该反力式叠层剪切模型箱，在拟静力条件下，通过组装静力台、反力墙以及往复作动器等简易器材来模拟地震荷载效应，可实现在无振动台设备条件下开展低成本的室内地震模型试验研究。
17.在反力墙上固定有与各活动层硬铝合金剪切框中心高度相一致的若干往复作动器，且往复作动器通过连接装置与活动层硬铝合金剪切框相铰接。往复作动器是按力或位移往复控制输出的，因此能模拟地震荷载所致的自由场变形或地基惯性力，能较好地应用于地震模型试验。通过连接器可实现作动器与剪切框相铰接，从而实现活动层硬铝合金剪切框仅在水平长度方向可发生往复位移。刚性底座上设有吊装系统和导向系统，不但便于将反力式叠层剪切模型箱安装在静力台面上，也对整个叠层剪切箱起限位保护作用，可有效避免在地震模拟试验中出现矩形剪切框滑落等安全事故。
18.从刚性底座的上表面自下往上依次由第1层至第10层等厚度的矩形硬铝合金剪切框叠合。相邻两层剪切框之间沿长边方向上下表面均刻有多个凹槽，且上下相邻框架中上部框架下表面的凹槽略大于下部框架上表面凹槽长度，以此形成凹槽的长度差，从而控制每层剪切框可发生的最大横向位移。除最顶部的框架外，其余框架沿长边方向上表面的凹槽内均安置线性轴承。采用的线性轴承放置在凹槽内，且轴承长度略小于凹槽，以保证滚珠与接触面之间为滚动摩擦。滚珠则固定在线性轴承中，以此来实现滚珠之间的相对位置不产生偏移。
19.本实用新型的优点及有益效果如下：
20.本实用新型在拟静力条件下，通过静力台、反力墙及往复作动器等装置来开展室内地震模型试验研究，可分别模拟地震作用下地基土的变形和惯性力，具有模拟效果准确、操作便捷、试验成本较低等特点，具体如下：
21.1、在拟静力法下，通过静力台、反力墙及反复作动器等简易装置来替代振动台在地震模拟试验中的作用，避免了振动台造价昂贵且试验控制要求高等问题。
22.2、往复作动器可按力或位移控制输出，结合叠层剪切箱可模拟地震过程中地基土的非线性变形和所受到的地震惯性力。
23.3、在静力台上安装有反力墙，反力墙可稳固静力台，使其在振动过程中不发生偏移，在其高度方向可架设与活动层剪切框架一一对应的若干组反复作动器。
24.4、采用硬铝合金材料组成的剪切框，能够最小化模型箱质量对模型试验的影响，且硬铝合金框刚度较大，可确保土体变形过程中箱体不会发生除剪切变形外的内力变形。
25.5、由刚性底座、立杆以及吊环形成的吊装系统及导向系统，不但便于反力式叠层剪切模型箱安装在静力台上，而且对整个叠层剪切箱在受控位移时起限位保护作用，可有效避免在地震模型试验中出现矩形剪切框侧向滑落等安全事故。
26.6、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。
27.7、每两层矩形剪切框上下表面凹槽之间存在着长度差，可有效控制矩形硬铝合金剪切框发生的最大横向位移。
28.8、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。
29.9、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。
30.10、与现有技术相比，本实用新型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性以及结果的可靠性。
31.11、剪切箱内侧安设有橡皮膜，可防止模型箱内土和水的泄露，且不影响模型箱的变形特性。
附图说明
32.图1为本实用新型用于反力式叠层剪切模型箱实施例的立体图；
33.图2为本实用新型用于反力式叠层剪切模型箱的实施例主视图；
34.图3为本实用新型用于反力式叠层剪切模型箱的侧视图；
35.图4为本实用新型用于反力式叠层剪切模型箱的俯视图；
36.图5为图2的a局部放大图；
37.图6为图5中b部的侧视图。
38.图中：1、刚性底座，2、剪切框，3、立杆，4、吊环，5、滚动体系，6、螺栓，7、上表面凹
槽，8、轴承，9、滚珠，10、下表面凹槽，11、反力墙，12、静力台，13、反复作动器， 14、连接器。
具体实施方式
39.以下结合附图与具体实施例对本实用新型作进一步地详细阐述。
40.如图1～6所示的反力式叠层剪切模型箱，底部为刚性底座1，刚性底座1用螺栓6与静力台12固定，在模型箱沿其长边方向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层等厚度的硬铝合金剪切框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。在静力台12的左端部设有反力墙11，沿高度方向依次安装有与各活动层框架对应的往复作动器13，往复作动器13的端部通过连接器14与活动层硬铝合金剪切框2相连，保证了在往复作动器13作用下活动层硬铝合金剪切框2不发生侧向偏移。
41.在本实例中，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体系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。
42.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的凹槽存在着长度差，即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。
43.本实用新型在地震模型试验中的具体试验步骤及注意事项：
44.1、试验前依次安装好刚性底座1及固定剪切框和2
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10层的活动层硬铝合金剪切框2。
45.2、在叠层剪切模型箱内安设有特制的橡皮膜，此时应保证橡皮膜的尺寸与剪切模型箱内部空间大小完全贴合并且其上部四周也完全固定在最上层剪切框的顶面。
46.3、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。
47.4、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静力台上12。
48.5、通过螺栓6将刚性底座1和静力台12面固定，此时应该保证各层剪切框之间不发生任何错位。
49.6、将连接器14的底部通过螺母与活动层硬铝合金剪切框固定，此时应确保连接器14不发生任何偏移。
50.7、沿反力墙11高度方向依次安装好与各活动层框架2相对应的往复作动器13，此时应保证各组往复作动器13与相应的活动层框架2处于同一水平面上，且往复作动器13与铝合金框架之间的连接处稳固与平滑。
51.8、检查确认安装质量及相关准备工作就绪后，开启往复作动器13，反力式叠层剪切模型箱与其内部的土体及其它结构单元跟随作动器发生地震变形和承受等效地震惯性力，同时记录好相关试验数据便于日后分析。