一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于地下结构的拟静力推覆试验装置及方法，包括底板、水平加载系统、竖向加载系统、相互作用系统及地下结构模型。水平加载系统由反力墙、水平作动器及水平均载钢梁组成，竖向加载系统由顶部反力钢梁、竖向作动器及竖向均载钢梁组成，相互作用系统由底反力板、弹簧及反力钢架组成。将模型结构置于底反力板上，模型结构与底反力板及反力钢架之间设置弹簧，在模型结构顶部通过竖向作动器及均载钢梁施加竖向力，通过水平加载系统对结构沿高度施加某种分布的单调递增强制水平位移，直至地下结构发生破坏。本发明专利技术可通过弹簧在地下结构拟静力试验中模拟土‑结构相互作用，具有经济性好、缩尺比大、便于观察试验现象等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置及方法
本专利技术涉及地下结构试验
，涉及一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置及方法。
技术介绍
历次地震中地下结构震害记录表明，强震作用下地下结构也可能发生严重破坏，因而对地下结构进行合理的抗震设计十分必要。而基于性能的抗震设计是地下结构抗震设计理念中具有里程碑意义的阶段，因此完善地下结构抗震性能研究方法并对地下结构层间位移角限值进行量化，具有重要的科学意义。因而借助模型试验手段研究地下结构抗震性能也是当前这一领域的发展方向。地下结构抗震研究中常用试验方法有普通振动台试验、离心机振动台试验及拟静力试验。普通振动台试验是在1g重力环境下进行的，因采用缩尺模型而存在重力失真效应，而地下结构轴压比是影响其抗震性能指标的重要因素，因此采用普通振动台试验研究地下结构抗震性能有局限性。离心机振动台试验能较好地模拟与原型重力场接近的重力环境，目前已广泛应用于地下结构抗震模型试验中，并取得良好的试验效果，但受离心机承载能力限制，其试验模型尺寸较小、数据测试困难，因此用其研究地下结构抗震性能也有明显的不足。拟静力试验中结构几何缩尺比通常较大，且可通过施加上覆荷载调整结构的轴压比及土体应力水平，因此采用拟静力试验研究地下结构抗震性能较合理。但拟静力试验中仍存在如下问题：土-结构体系拟静力试验几何缩尺比小于单独结构体试验，且试验步序相对复杂，经济性较差；单独结构体拟静力试验无法反应土-结构相互作用问题；单独构件拟静力试验无法反应结构薄弱环节，也无法体现土-结构相互作用。为克服上述研究地下结构抗震性能的各物理模型试验方法的问题，研制一种经济性强、步序简单且可考虑土-结构相互作用的地下结构拟静力试验装置及方法亟待解决。由于传统的土体材料是一种松散介质，其剪切模量是围压的函数，因而在考虑土-结构相互作用时需要模拟真实土的应力状态才能得到较好的结果，而本专利技术采用弹簧代替土体以考虑土-结构相互作用，弹簧刚度可通过调整构件尺寸调节，而不需要结构周围大体量的土体，具有经济性好、缩尺比大的优势。弹簧一侧固定于底反力板及反力钢架上，另一端与结构密贴接触，可较好的模拟土体只能受压不能受拉的力学特性及周围土体对地下结构的约束作用。
技术实现思路
针对现有地下结构抗震试验技术在研究地下结构抗震性能中的不足，本专利技术公开了一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置及方法，该装置能在传统地下结构拟静力试验基础上通过弹簧考虑土-结构相互作用，试验具备缩尺比较大、经济性好、可靠性高、试验步序简单，易于观察试验现象等优点。本专利技术采用的具体技术方案如下：一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置，包括底板、水平加载系统、竖向加载系统、相互作用系统及地下结构模型，其特征在于：所述底板(1)、底反力板(2)及反力墙(3)采用钢筋混凝土材料制成，底反力板(2)及反力墙(7)锚固于所述底板(1)上。所述水平加载系统由反力墙(3)、水平作动器(4)及水平均载钢梁(5)组成，所述水平作动器(4)沿竖向依实际情况布置，应尽量密集布置，水平作动器(4)与水平均载钢梁(5)铰接。所述相互作用系统由所述弹簧(9)、反力螺栓(12)、弹簧导向钢槽(13)组成。可通过调节弹簧的材料参数及尺寸等来调整其弹性模量；通过竖向加载系统施加竖向荷载，使底部弹簧与地下结构模型间产生相互作用力，以模拟结构底部与底部土体间相互作用；通过固定水平加载系统及拧紧反力螺栓等措施使侧向弹簧与地下结构模型间密贴接触并产生水平相互作用力，以模拟结构侧面与侧边土体间相互作用。结构侧向弹簧中最底部弹簧可通过增大其弹性模量以考虑地下结构底板与底部土体的切向力作用，防止结构发生过大的水平向平移变形。本专利技术的工作原理：采用上述技术方案的地下结构的拟静力推覆试验装置及方法，根据模型试验需求及试验场地、试验设备等整体情况确定地下结构模型、底反力板、钢弹簧及反力钢架的尺寸，通过竖向加载系统对地下结构模型施加竖向荷载以模拟真实状态下结构的轴压，通过设置弹簧、底反力板、反力螺栓、弹簧导向钢槽及反力钢架以模拟土-结构相互作用，通过水平作动器及水平均载钢梁对不同高度位置处的地下结构模型施加某种分布的强制水平位移来模拟结构遭受的水平地震作用，对结构进行单调递增的单向推覆直至地下结构模型发生破坏。在结构上粘贴应变片、布置摄像头等措施，可分析地下结构抗震性能及地震破坏模式。本专利技术的优点在于：试验几何相似比较大；可考虑土-结构相互作用；通过调节弹簧参数、尺寸、弹簧预加力值、水平作动器位移输入及竖向荷载，可模拟地下结构在不同围岩状况、不同埋深下的抗震性能；试验步序简单，经济性好，可以较准确的得到地下结构抗震性能及破坏模式。附图说明图1为试验装置整体侧视图。图2为底反力板平面图。图3为侧边相互作用系统正视图。图4为侧边相互作用系统侧视图。图5为试验装置整体三维侧视图。图6为弹簧导向槽三维侧视图。图7为弹簧三维侧视图。图中：1、底板，2、底反力板，3、反力墙，4、水平作动器，5、水平均载钢梁，6、顶部反力钢梁，7、竖向作动器，8、竖向均载钢梁，9、弹簧，10、反力钢架，11、地下结构模型，12、反力螺栓，13、弹簧导向钢槽。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。如图1～图7所示，一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置及方法，其特征在于：底板(1)、底反力板(2)、反力墙(3)、水平作动器(4)、水平均载钢梁(5)、顶部反力钢梁(6)、竖向作动器(7)、竖向均载钢梁(8)、弹簧(9)、反力钢架(10)、地下结构模型(11)、反力螺栓(12)、弹簧导向钢槽(13)。所述底反力板(2)通过螺栓固定于所述底板(1)上，将所述弹簧导向钢槽(13)置于所述底反力板(2)上的预留槽内，随后在所述弹簧导向钢槽(13)安装所述弹簧(9)。将所述地下结构模型(11)置于底反力板上弹簧上，安装由所述顶部反力钢梁(6)、竖向作动器(7)及竖向均载钢梁(8)组成的竖向加载系统，启动竖向加载系统对所述地下结构模型(11)施加设计的竖向荷载。在所述地下结构模型(11)及所述反力墙(3)间安装由水平作动器(4)及水平均载钢梁(5)组成的水平加载系统。安装所述反力钢架(10)，在所述反力钢架(10)与所述地下结构模型(11)间设置所述弹簧导向钢槽(13)及所述弹簧(9)，在反力钢架另一侧与所述弹簧(9)位置对应处设置反力螺栓(12)。拧紧所述反力螺栓(12)至一定位置对结构施加一定的初始预应力，注意保持拧紧螺栓时，应保持水平作动器不产生位移。试验装置组装完成后，采用所述水平作动器(4)对不同高度的层状剪切箱施加某种分布形式的水平位移，逐步增大水平位移直至结构发生破坏，以考察地下结构的抗震性能。本实例中，可通过调整底部及侧部所述弹簧(9)的尺寸参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置，其特征在于：该拟静力试验装置由底板(1)、底反力板(2)、反力墙(3)、水平作动器(4)、水平均载钢梁(5)、顶部反力钢梁(6)、竖向作动器(7)、竖向均载钢梁(8)、弹簧(9)、反力钢架(10)、地下结构模型(11)、反力螺栓(12)和弹簧导向钢槽(13)组成；所述水平加载系统由所述反力墙(3)、所述水平作动器(4)及所述水平均载钢梁(5)组成；所述竖向加载系统由所述顶部反力钢梁(6)、所述竖向作动器(7)及所述竖向均载钢梁(8)组成；所述相互作用系统由底反力板(2)、弹簧(9)及所反力钢架(10)组成；所述底反力板(2)上设置有弹簧导向槽，将所述弹簧(9)置于底反力板(2)上弹簧导向槽内，所述地下结构模型(11)置于所述弹簧(9)上，所述反力钢架(10)固定于所述底板(1)相应位置处，所述弹簧(9)置于所述反力钢架(10)上相应位置处的所述弹簧导向槽(13)内，使所述弹簧(9)处于所述反力钢架(10)及所述地下结构模型(11)之间；启动竖向加载系统对所述地下结构模型(11)施加设计的竖向荷载，待竖向荷载稳定后，通过拧动所述反力螺栓(12)调节所述反力钢架(10)上的侧向弹簧预加力，在施加弹簧预加力时，保持水平作动器位移不变，以平衡侧面弹簧预加力。/n...

【技术特征摘要】
1.一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置，其特征在于：该拟静力试验装置由底板(1)、底反力板(2)、反力墙(3)、水平作动器(4)、水平均载钢梁(5)、顶部反力钢梁(6)、竖向作动器(7)、竖向均载钢梁(8)、弹簧(9)、反力钢架(10)、地下结构模型(11)、反力螺栓(12)和弹簧导向钢槽(13)组成；所述水平加载系统由所述反力墙(3)、所述水平作动器(4)及所述水平均载钢梁(5)组成；所述竖向加载系统由所述顶部反力钢梁(6)、所述竖向作动器(7)及所述竖向均载钢梁(8)组成；所述相互作用系统由底反力板(2)、弹簧(9)及所反力钢架(10)组成；所述底反力板(2)上设置有弹簧导向槽，将所述弹簧(9)置于底反力板(2)上弹簧导向槽内，所述地下结构模型(11)置于所述弹簧(9)上，所述反力钢架(10)固定于所述底板(1)相应位置处，所述弹簧(9)置于所述反力钢架(10)上相应位置处的所述弹簧导向槽(13)内，使所述弹簧(9)处于所述反力钢架(10)及所述地下结构模型(11)之间；启动竖向加载系统对所述地下结构模型(11)施加设计的竖向荷载，待竖向荷载稳定后，通过拧动所述反力螺栓(12)调节所述反力钢架(10)上的侧向弹簧预加力，在施加弹簧预加力时，保持水平作动器位移不变，以平衡侧面弹簧预加力。


2.根据权利要求1所述的一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置，其特征在于：所述底反力板(2)锚固于底板(1)上，在底反力板(2)相应位置处设置弹簧导向槽。


3.根据权利要求1所述的一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置，其特征在于：所述反力螺栓(12)螺母部分通过焊接方式与所述反力钢架(10)连接，通过旋转螺杆部分是所述弹簧(9)产生可控变形。


4.根据权利要求1所述的一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置，其特征在于：所述水平作动器(4)与所述水平均载钢梁(5)间采用铰接...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩润波，杜修力，许成顺，许紫刚，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11