[發明專利]一種用于大比例尺寸振動臺試驗的模型箱及其模型實驗裝置和使用方法

在審

• 申請號: 201711327285.X
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN107907285A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 王星華;周浩;任文峰;何昌迪;王振宇;程磊;李靖博;黃長溪;梁燕
• 申請（專利權）人: 中南大學;中國鐵路總公司
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01N33/24
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙)43213
• 代理人: 楊斌

技術領域

本發明屬于巖土工程技術領域，尤其涉及一種應用于基礎工程、隧道工程和邊坡工程等領域的大比例尺寸振動臺試驗的模型箱及其模型實驗裝置和使用方法。

背景技術

模型箱是巖土工程領域抗震研究實用性很強的試驗裝置，但因受到模型箱體自重以及尺寸大小因素影響，致使振動臺模型箱試驗的數據很不理想，尤其是做小比例尺寸振動臺模型試驗，例如樁基礎振動臺試驗，混合邊坡振動臺試驗，橋梁與隧道連接振動臺試驗等。

目前，振動臺模型箱試驗中，模型箱體積一般較小，想達到試驗預期效果很困難，最主要是因為邊界效應的影響，因為研究模型距離模型箱邊界近，而且場地變形是地下模型結構主要控制因素，嚴格控制模型結構位移，不能真實模擬地震作用下模型動力響應特征。而當前，做大尺寸模型箱，勢必會增加模型箱箱體自重，在振動臺可承載的極限荷載下，會影響圍巖填充高度，導致試驗效果不理想。

因此，研制一種自重輕并應用于大比例尺寸剛柔結合的模型箱試驗裝置，能夠較真實地再現地震荷載作用下模型的動力特征，成為巖土工程領域相關人員研究解決問題的關鍵。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種基于振動臺荷載承載能力下，結構自重輕的用于大比例尺寸振動臺試驗的模型箱及其模型實驗裝置和使用方法。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為提供一種用于大比例尺寸振動臺試驗的模型箱，包括箱體，所述箱體為頂面敞開的長方體結構，所述箱體的底面包括柔性鋼板，側面包括槽鋼框架、剛性鋼板和角鋼框架，所述槽鋼框架、剛性鋼板和角鋼框架由內至外依次焊接，所述柔性鋼板焊接于剛性鋼板的底部。該模型箱的側面四周為剛性鋼板，底板為柔性鋼板，剛柔結合，既滿足了試驗應用所需要的剛性，使模型箱的共振頻率大于30Hz，加入砂土與隧道模型以后整個箱體共振頻率小于10Hz，這樣在加載振動臺試驗時，避免了砂土與模型箱體發生共振，減小了試驗數據的誤差，從而提高模型試驗的可靠性，同時又能滿足試驗對柔性的需求，使做大比例模型尺寸模型振動臺試驗時，模型箱體底面鋼板柔性鋼板能很好的與振動臺臺面貼合，形成一個整體的面板。

上述的模型箱，優選的，所述柔性鋼板為Q235A鋼板，所述剛性鋼板為Q325鋼板，所述剛性鋼板的厚度為4-6mm。Q235A鋼板的柔性能滿足試驗對柔性的需求，使做大比例模型尺寸模型振動臺試驗時，模型箱體底面鋼板柔性鋼板能很好的與振動臺臺面貼合，形成一個整體的面板；Q325鋼板的剛性在角鋼和槽鋼的結合下，能滿足試驗應用的剛性標準，使模型箱的共振頻率大于30Hz，加入砂土與隧道模型以后整個箱體共振頻率小于10Hz，這樣在加載振動臺試驗時，避免了砂土與模型箱體發生共振，減小了試驗數據的誤差，從而提高模型試驗的可靠性。

優選的，所述槽鋼框架由槽鋼交叉焊接而成，并通過所述槽鋼的鋼背面緊貼焊接于剛性鋼板上；所述角鋼框架由角鋼焊接而成，并通過所述角鋼的凹面緊貼焊接于剛性鋼板上，所述角鋼框架的邊角通過角鋼進行包邊；所述剛性鋼板的頂端焊接有吊耳。更優選的，槽鋼框架焊接于鋼板的內表面，由槽鋼交叉焊接成統一尺寸的矩形框架結構，可以提高模型箱抗剪強度及箱體整體剛度和穩定性；角鋼框架焊接于鋼板的外表面，由角鋼交叉焊接形成不同尺寸的矩形框架結構。通過合理有序的嚴密組織焊接工序，完成了模型箱的制作工藝，我們通過大量的空模型箱振動臺試驗，得出了模型箱合理且符合試驗要求的模型箱體剛度。

優選的，所述箱體的側面頂端上較長的兩條橫邊之間通過橫撐焊接加固，并在所述橫撐上呈八字型焊接兩支斜撐，所述斜撐的一端焊接在橫撐上，另一端焊接于側面的內壁上距離模型箱底面20cm～40cm處；更優選的，所述斜撐為工字鋼斜撐，所述橫撐為空心桿橫撐。橫撐和斜撐可以提升箱體較短的橫邊方向的剛度，增加模型箱的穩定性；所述工字鋼斜撐優選為四拼工字鋼斜撐。所述較長的兩條橫邊是指箱體側面頂端上的四條平行于底面的橫邊中，相對另外兩條橫邊長度較長的兩條橫邊；所述較短的橫邊則是相對長度較短的橫邊。

優選的，所述底面的柔性鋼板外表面焊接有方格角鋼框架，所述方格角鋼框架中一個方格的面積為1.2m²～1.5m²，所述底面的柔性鋼板上開設有螺栓孔，并通過該螺栓孔使用螺栓固定在振動臺上；更優選的，所述螺栓為M12.9高強螺栓，所述螺栓孔的數量為64～78個。通過角鋼焊接分割可以增大模型箱底部的摩擦力，連接方式是從模型箱中間往兩邊加彎矩擰緊，以防止模型箱松動。