[发明专利]内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下结构振动台试验的模型箱，尤其涉及一种内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱及其使用方法。

背景技术

模型箱是地下结构振动台试验的重要设备之一，其边界处产生的波动反射和箱体自身振动形态的变化均会在一定程度上影响试验结果的合理性，即产生所谓的“模型箱效应”。因此，合理的模型箱设计应尽可能使模型箱土的边界条件与原型一致，且使模型地基土在地震作用下发生剪切变形。目前，国内外常用的振动台试验模型箱主要有3种：刚性模型箱、柔性模型箱和层叠剪切变形模型箱。其中，层叠剪切变形模型箱在消除边界效应、模拟土体水平层状变形以及限制土体向外膨胀等方面具有良好的性能，相比于其他两种模型箱，应用更为广泛。

然而，叠层剪切型模型箱也存在如下问题：(1)模型箱大多采用钢质框架制成，虽有刚度大、结构形式简单的优点，但钢材自重大，再加上滚珠、立柱等附属结构，模型箱自重往往过大，尤其是大型剪切模型箱。由于模型箱自身刚度须小于模型土的刚度，以保证土体在振动过程中起控制作用，箱体刚度(或自重)过大势必影响原型地基土半无限特性的模拟效果，也限制了箱内填土的质量。(2)相邻框架之间虽然采用了滚珠或轴承连接，以减小层间摩阻力，实现箱体与土体发生同步剪切运动，但箱体较高时，滚珠或轴承处于较大的挤压应力状态，底部几层的摩阻力仍然较大，这将限制模型地基土的剪切变形。另外，当滚珠或轴承尺寸过小时，将不足以支撑框架重量，并影响框架间的自由滑动；而尺寸过大时，层间间隙也相应增大，振动过程中模型土体将向外膨胀，导致约束压力释放，可能使土层产生弯曲变形。

由于在减小尺寸效应、消除边界波动反射以及模拟土体层状变形方面的优点，近年来大型模型箱的应用逐渐增多。然而，箱体及附属结构的自重及容积也随之增加，一方面，增大了振动台设备的负荷；另一方面，在振动过程中将产生较大的惯性力和框架层间摩擦力，从而降低自由场原型地基模拟的相似程度，导致模型土变形与地震波入射时土层实际剪切变形存在偏差。

发明内容

本发明旨在提供一种内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱用于振动台试验，以克服现有大型层叠剪切模型箱中自重、框架层间阻力和箱体惯性效应对模拟效果的不利影响，同时使箱体自重满足振动台设备的承载能力要求。

本发明提供了一种内置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，包括若干个长方形框架、电磁减阻装置、螺杆和反力架；

所述长方形框架由四根方形钢管焊接而成，且若干个长方形框架上下平行层叠设置、间距相等，每层框架与振动方向平行的两根方形钢管内设有电磁减阻装置；电磁减阻装置在多个方形钢管内平行设置，形成多层减阻系统；所述长方形框架采用导磁材料制作，以便在管内形成磁屏蔽环境，防止磁场线穿过方管干扰外界磁场；底部的长方形框架下方设有刚性底板；

所述电磁减阻装置包括嵌有多个铁芯的横梁和薄片磁铁，薄片磁铁设置在与振动方向平行的方形钢管内顶面，横梁无接触地贯穿于该钢管内部，所述横梁为工字钢，工字钢的腹板上设有若干个缺口，铁芯焊接在该缺口内，铁芯的外表面均匀缠有漆包线，且相邻两层框架内的漆包线与滑动变阻器、电流表和电源串联为一组电路，应避免电路穿过的框架层数过多，保证电路电压在安全范围的同时使串联电路数量尽可能少，方便操作；铁芯的上方对应设有薄片磁铁，铁芯的上工作面与薄片磁铁的下表面的磁极极性相同；横梁延伸出方形钢管的两端，横梁两端分别与螺杆连接，螺杆上端悬挂在反力架横梁上。应事先验算横梁在电磁力和自重作用下的挠曲变形，保证横梁最大竖向位移小于其底面至钢管下表面的间隙，计算模型可按简支梁考虑。

上述方案中，所述薄片磁铁为长条形铷铁硼材质，粘贴在方形钢管的内顶面，磁铁的长度根据层间最大相对位移确定，大致在每个铁芯中心两侧各预留15cm，避免振动过程中铁芯超出薄片磁铁范围，宽度小于方形钢管内顶面宽度3-5mm。

上述方案中，所述螺杆设有四根，螺杆与模型箱间隔40～50cm；

上述方案中，所述电磁减阻装置的横梁两个端部分别设置U型槽，螺杆与每个横梁之间通过螺母连接，从而将所有电磁减阻装置的横梁固定起来。进一步地，所述电磁减阻装置的横梁两端上下翼板均切割出一个U型缺口，并去掉缺口范围内上下翼板之间的腹板，将螺杆穿过缺口，并在翼板上下表面通过螺母对横梁进行固定。

上述方案中，所述反力架设置在模型箱两侧，且与振动台台面分离；箱体振动过程中，整个减阻装置保持静止状态。

上述方案中，所述螺杆下端采用导线和接地极与大地相连，对减阻装置做保护接地，避免试验过程中发生触电危险。