[發明專利]內置電磁減阻裝置的大型層疊剪切模型箱及其使用方法

有效

• 申請號: 201610397306.4
• 申請日: 2016-06-07
• 公開（公告）號: CN105926691B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 章敏;尚微;郭誠;周忠超;程欣;趙博;安毅
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: E02D33/00
• 分類號: E02D33/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司14101
• 代理人: 申艷玲

技術領域

本發明涉及一種地下結構振動臺試驗的模型箱，尤其涉及一種內置電磁減阻裝置的大型層疊剪切模型箱及其使用方法。

背景技術

模型箱是地下結構振動臺試驗的重要設備之一，其邊界處產生的波動反射和箱體自身振動形態的變化均會在一定程度上影響試驗結果的合理性，即產生所謂的“模型箱效應”。因此，合理的模型箱設計應盡可能使模型箱土的邊界條件與原型一致，且使模型地基土在地震作用下發生剪切變形。目前，國內外常用的振動臺試驗模型箱主要有3種：剛性模型箱、柔性模型箱和層疊剪切變形模型箱。其中，層疊剪切變形模型箱在消除邊界效應、模擬土體水平層狀變形以及限制土體向外膨脹等方面具有良好的性能，相比于其他兩種模型箱，應用更為廣泛。

然而，疊層剪切型模型箱也存在如下問題：(1)模型箱大多采用鋼質框架制成，雖有剛度大、結構形式簡單的優點，但鋼材自重大，再加上滾珠、立柱等附屬結構，模型箱自重往往過大，尤其是大型剪切模型箱。由于模型箱自身剛度須小于模型土的剛度，以保證土體在振動過程中起控制作用，箱體剛度(或自重)過大勢必影響原型地基土半無限特性的模擬效果，也限制了箱內填土的質量。(2)相鄰框架之間雖然采用了滾珠或軸承連接，以減小層間摩阻力，實現箱體與土體發生同步剪切運動，但箱體較高時，滾珠或軸承處于較大的擠壓應力狀態，底部幾層的摩阻力仍然較大，這將限制模型地基土的剪切變形。另外，當滾珠或軸承尺寸過小時，將不足以支撐框架重量，并影響框架間的自由滑動；而尺寸過大時，層間間隙也相應增大，振動過程中模型土體將向外膨脹，導致約束壓力釋放，可能使土層產生彎曲變形。

由于在減小尺寸效應、消除邊界波動反射以及模擬土體層狀變形方面的優點，近年來大型模型箱的應用逐漸增多。然而，箱體及附屬結構的自重及容積也隨之增加，一方面，增大了振動臺設備的負荷；另一方面，在振動過程中將產生較大的慣性力和框架層間摩擦力，從而降低自由場原型地基模擬的相似程度，導致模型土變形與地震波入射時土層實際剪切變形存在偏差。

發明內容

本發明旨在提供一種內置電磁減阻裝置的大型層疊剪切模型箱用于振動臺試驗，以克服現有大型層疊剪切模型箱中自重、框架層間阻力和箱體慣性效應對模擬效果的不利影響，同時使箱體自重滿足振動臺設備的承載能力要求。

本發明提供了一種內置電磁減阻裝置的大型層疊剪切模型箱，包括若干個長方形框架、電磁減阻裝置、螺桿和反力架；

所述長方形框架由四根方形鋼管焊接而成，且若干個長方形框架上下平行層疊設置、間距相等，每層框架與振動方向平行的兩根方形鋼管內設有電磁減阻裝置；電磁減阻裝置在多個方形鋼管內平行設置，形成多層減阻系統；所述長方形框架采用導磁材料制作，以便在管內形成磁屏蔽環境，防止磁場線穿過方管干擾外界磁場；底部的長方形框架下方設有剛性底板；

所述電磁減阻裝置包括嵌有多個鐵芯的橫梁和薄片磁鐵，薄片磁鐵設置在與振動方向平行的方形鋼管內頂面，橫梁無接觸地貫穿于該鋼管內部，所述橫梁為工字鋼，工字鋼的腹板上設有若干個缺口，鐵芯焊接在該缺口內，鐵芯的外表面均勻纏有漆包線，且相鄰兩層框架內的漆包線與滑動變阻器、電流表和電源串聯為一組電路，應避免電路穿過的框架層數過多，保證電路電壓在安全范圍的同時使串聯電路數量盡可能少，方便操作；鐵芯的上方對應設有薄片磁鐵，鐵芯的上工作面與薄片磁鐵的下表面的磁極極性相同；橫梁延伸出方形鋼管的兩端，橫梁兩端分別與螺桿連接，螺桿上端懸掛在反力架橫梁上。應事先驗算橫梁在電磁力和自重作用下的撓曲變形，保證橫梁最大豎向位移小于其底面至鋼管下表面的間隙，計算模型可按簡支梁考慮。

上述方案中，所述薄片磁鐵為長條形銣鐵硼材質，粘貼在方形鋼管的內頂面，磁鐵的長度根據層間最大相對位移確定，大致在每個鐵芯中心兩側各預留15cm，避免振動過程中鐵芯超出薄片磁鐵范圍，寬度小于方形鋼管內頂面寬度3-5mm。

上述方案中，所述螺桿設有四根，螺桿與模型箱間隔40～50cm；

上述方案中，所述電磁減阻裝置的橫梁兩個端部分別設置U型槽，螺桿與每個橫梁之間通過螺母連接，從而將所有電磁減阻裝置的橫梁固定起來。進一步地，所述電磁減阻裝置的橫梁兩端上下翼板均切割出一個U型缺口，并去掉缺口范圍內上下翼板之間的腹板，將螺桿穿過缺口，并在翼板上下表面通過螺母對橫梁進行固定。

上述方案中，所述反力架設置在模型箱兩側，且與振動臺臺面分離；箱體振動過程中，整個減阻裝置保持靜止狀態。

上述方案中，所述螺桿下端采用導線和接地極與大地相連，對減阻裝置做保護接地，避免試驗過程中發生觸電危險。