CN109024713A - 模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟群桩动力效应和桩‑***同作用的装置，所述模拟群桩动力效应和桩‑***同作用的装置包括振动平台、通过刚性约束安装于所述振动平台的上部结构等效模型、通过弹性约束固定于所述上部结构等效模型的桩基模型、及用于模拟土壤模型的装有介质的容器，所述桩基模型***所述土壤模型，所述振动平台用于驱动上部结构等效模型进行一种或多种形式的振动。本发明能够模拟木工程领域上部结构的多种动力响应对下部结构(单桩基础、群桩基础)等的影响，从而可以用于研究在上部结构遭遇动力作用时群桩基础的动力响应和桩‑***同作用。
Description
技术领域
本发明涉及振动模拟技术领域，特别是涉及一种模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置。
背景技术
基础的安全是建筑物安全的第一层屏障，其安全是结构整体安全的前提，研究基础安全具有重大意义。高层建筑、输电线塔等高耸结构的基础通常采用群桩基础的形式，其造价在总体中占有较大的比例。群桩基础一个重要的研究课题为群桩动力响应和桩-***同作用。高耸建筑物上部结构在动力作用下产生动力响应，动力响应传递到下部基础，带来桩基的动力响应和桩-***同作用的问题。引起结构振动的因素包括风等常遇动力作用，也包括船舶撞击、飞机撞击和***等突击荷载。
以群桩为对象研究其动力响应和桩-***同作用的前提为需要使桩和土之间发生相对位移。产生这种相对位移的手段目前为通过简单的机械手段或人为的方式在群桩基础模型顶端施加一个位移。
现有的振动模拟技术存在以下缺点：
1)不能考虑上部结构的动力响应对下部基础的传递关系：现有手段为直接通过机械措施在桩基顶部施加一个位移，而实际情况是上部结构受到风、撞击等动力荷载、发生动力响应，该动力响应通过上部结构和基础之间的连接，传递给下部群桩基础：上部结构->上下部结构之间的连接->下部群桩基础，这意味着目前的群桩动力响应研究没有考虑这一传递关系。
2)不能模拟上部结构可能出现的多种运动形式：现有手段为直接通过机械措施施加一个桩与土之间的相对移动，是单一过程的简单重复，没有考虑上部结构不同的可能出现的运动形式以及其完整的过程。
3)不能实现位移大小的精确控制：现有方法可以不断重复一个单一的相对移动-复位-相对移动过程，但对这一过程不能进行精确的控制，即桩-***同作用中的相对位移输入不能很好的量化，这不利于地基变形、桩土间摩擦力、挤压力等物理量的定量化评价。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，所述模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置包括振动平台、通过刚性约束安装于所述振动平台的上部结构等效模型、通过弹性约束固定于所述上部结构等效模型的桩基模型、及用于模拟土壤模型的装有介质的容器，所述桩基模型***所述土壤模型，所述振动平台用于驱动上部结构等效模型进行一种或多种形式的振动。
作为本发明的进一步改进，所述桩基模型包括桩身模型，所述桩身模型与所述土壤模型之间的连接通过桩身模型的粗糙度及所述介质的压实度实现。
作为本发明的进一步改进，所述桩基模型还包括桩顶模型，所述桩顶模型与所述土壤模型之间为弹性约束。
作为本发明的进一步改进，当需要模拟的土壤类型不同时，通过向不同所述容器内放置不同类型的介质实现。
作为本发明的进一步改进，当需要模拟的土壤分层时，即不同高度处的土壤特性不同时，通过向同一所述容器内放置不同类型的介质实现。
作为本发明的进一步改进，所述桩基模型布设有加速度传感器及应变片，所述加速度传感器及所述应变片测量由上部结构等效模型的动力响应而引起的所述桩基模型的动力响应。
作为本发明的进一步改进，所述桩基模型与所述土壤模型的接触表面布设有传感器，所述传感器测量桩-土接触面上的摩擦力和挤压力。
作为本发明的进一步改进，所述土壤模型中布设有传感器，所述传感器用于测量周围土壤的变形。
作为本发明的进一步改进，所述上部结构等效模型的振动为侧移、下沉、上拔、扭转中的一种或多种的耦合。
一种模拟群桩动力效应和桩-***同作用的方法，包括以下步骤：
上部结构振动的模拟：将上部结构等效成刚体模型，在动力荷载作用下发生的振动均通过振动平台实现；
上部结构与桩基的连接：上部结构与桩基通过弹性约束连接，连接刚度由上部结构和下部结构的特点共同决定；
桩基所在土壤类别的模拟：通过在容器中装入介质实现土壤类别的模拟；
桩基与地基的连接：桩基与地基的连接包括2个方面：桩顶与地基的接触和桩身与地基的接触，桩顶与地基的接触通过弹性连接实现，桩身与地基的接触通过改变桩身的粗糙程度、周围土壤的压实程度实现；
群桩动力响应的测量：在桩基模型中布设加速度传感器和应变片，测量由上部结构的动力响应而引起的群桩基础的动力响应；
桩***同作用大小的测量：在桩基模型与地基的接触表面布设传感器，测量桩-土接触面上的摩擦力和挤压力，在周围地基中布设传感器，测量周围土壤的变形。
本发明具有以下优点：
本发明可以模拟土木工程领域上部结构的动力响应对下部结构(单桩基础、群桩基础)等的影响，从而可以用于研究在上部结构遭遇动力作用时群桩基础的动力响应和桩-***同作用：
1)考虑上部结构的动力响应对下部基础的传递关系。通过振动施加装置对上部结构等效模型施加预定的位移时程激励，该动力响应通过上部结构和基础之间的连接，传递给下部群桩基础，充分考虑动力响应在上部结构->上下部结构之间的连接->下部群桩基础这一传递关系。
2)模拟上部结构可能出现的多种运动形式，通过现场实测或有限元方法计算得到的上部结构基地动力响应均可以施加到模型上。
3)实现位移大小的精确控制，精确的控制上部结构的位移形式及大小，这有利于重复试验的进行和对群桩基础动力响应、地基变形、桩土间摩擦力、挤压力等物理量的定量化评价。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例中模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置的立体图；
图2为本发明第一实施例中模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置的结构示意图；
图3为本发明第一实施例中模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置的使用状态示意图。
图中：100、模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置；10、容器；20、振动平台；30、上部结构等效模型；40、桩基模型；42、桩身模型；44、桩顶模型。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图3，本发明模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置100包括用于模拟土壤模型的装有介质的容器10、振动平台20、通过刚性约束安装于振动平台20的上部结构等效模型30、通过弹性约束固定于上部结构等效模型30的桩基模型40，桩基模型40***土壤模型，振动平台20用于驱动上部结构等效模型进行一种或多种形式的振动。
处于不同场地的建筑物，桩基所处的土壤类别不同，不同类型的土壤可以通过在不同容器10中装入不同特性的介质实现，有些地基中，土壤是分层的，即不同高度处的土壤特性不同，这种情况可以通过在同一容器10中盛放不同的介质实现。
振动平台20能够驱使上部结构等效模型30的振动为侧移、下沉、上拔、扭转中的一种或多种的耦合。
桩基模型40包括桩身模型42及桩顶模型44，桩身模型42与土壤模型之间的连接通过改变桩身模型42的粗糙度及土壤的压实度实现。桩顶模型44与土壤模型之间为弹性约束。
桩基模型40布设有加速度传感器及应变片，加速度传感器及应变片测量由上部结构等效模型30的动力响应而引起的桩基模型的动力响应。桩基模型40与土壤模型的接触表面布设有传感器，用于测量桩-土接触面上的摩擦力和挤压力。土壤模型中布设有传感器，用于测量周围土壤的变形。
本发明还涉及一种模拟群桩动力效应和桩-***同作用的方法，包括以下步骤：
1)上部结构振动的模拟
上部结构等效为一个刚体(为上部结构等效模型)，上部结构底部在动力荷载作用下发生的振动均通过振动平台实现。这些振动形式包括上部结构的侧移、下沉、上拔、扭转以及他们之间的相互任意组合。
2)上部结构等效模型尺寸的确定。等效刚体模型的长宽比根据实际情况确定，主要为了配合实际结构的尺寸和群桩基础的布置。
2)上部结构与桩基模型的连接。二者通过弹性约束连接，连接刚度由上部结构和下部结构的特点共同决定，包括上部结构类型和尺寸、桩基平台尺寸和施工方法等等。
3)桩基模型所在土壤类别的模拟。处于不同场地的建筑物，桩基模型所处的土壤类别不同，不同类型的土壤可以通过在容器中装入不同特性的介质实现。有些地基中，土壤是分层的，即不同高度处的土壤特性不同，这种情况可以通过在容器中盛放不同的介质实现。
4)群桩基础中桩基模型数目的模拟。桩基模型中单桩的数量控制由模型的数目控制实现，实际的数目可根据具体的研究对象和研究目的确定。
5)桩基模型与土壤模型的连接。桩基模型与土壤模型的连接包括2个方面：桩顶与地基的接触和桩身与土壤模型的接触。桩顶与土壤模型的接触通过弹性连接实现，桩身与土壤模型的接触通过改变桩身的粗糙程度、周围介质的压实程度实现。
6)群桩动力响应的测量。在桩基模型中布设加速度传感器和应变片，测量由上部结构等效模型的动力响应而引起的群桩基础的动力响应。
7)桩***同作用大小的测量。在桩基模型与地基的接触表面布设应变片等传感器，测量桩-土接触面上的摩擦力和挤压力，在周围地基中布设应变片等传感器，测量周围土壤的变形。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明可以模拟土木工程领域上部结构的动力响应对下部结构(单桩基础、群桩基础)等的影响，从而可以用于研究在上部结构等效模型遭遇动力作用时群桩基础的动力响应和桩-***同作用：
1)考虑上部结构的动力响应对下部基础的传递关系。通过振动施加装置对上部结构等效模型施加预定的位移时程激励，该动力响应通过上部结构和基础之间的连接，传递给下部群桩基础，充分考虑动力响应在上部结构->上下部结构之间的连接->下部群桩基础这一传递关系。
2)模拟上部结构可能出现的多种运动形式，通过现场实测或有限元方法计算得到的上部结构基地动力响应均可以施加到模型上。
3)实现位移大小的精确控制，精确的控制上部结构的位移形式及大小，这有利于重复试验的进行和对群桩基础动力响应、地基变形、桩土间摩擦力、挤压力等物理量的定量化评价。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：所述模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置包括振动平台、通过刚性约束安装于所述振动平台的上部结构等效模型、通过弹性约束固定于所述上部结构等效模型的桩基模型、及用于模拟土壤模型的装有介质的容器，所述桩基模型***所述土壤模型，所述振动平台用于驱动上部结构等效模型进行一种或多种形式的振动。
2.根据权利要求1所述的模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：所述桩基模型包括桩身模型，所述桩身模型与所述土壤模型之间的连接通过桩身模型的粗糙度及所述介质的压实度实现。
3.根据权利要求2所述的模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：所述桩基模型还包括桩顶模型，所述桩顶模型与所述土壤模型之间为弹性约束。
4.根据权利要求1所述的模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：当需要模拟的土壤类型不同时，通过向不同所述容器内放置不同类型的介质实现。
5.根据权利要求1所述的模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：当需要模拟的土壤分层时，即不同高度处的土壤特性不同时，通过向同一所述容器内放置不同类型的介质实现。
6.根据权利要求1所述的模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：所述桩基模型布设有加速度传感器及应变片，所述加速度传感器及所述应变片测量由上部结构等效模型的动力响应而引起的所述桩基模型的动力响应。
7.根据权利要求1所述的模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：所述桩基模型与所述土壤模型的接触表面布设有传感器，所述传感器测量桩-土接触面上的摩擦力和挤压力。
8.根据权利要求1所述的模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：所述土壤模型中布设有传感器，所述传感器用于测量周围土壤的变形。
9.根据权利要求1所述的模拟群桩动力效应和桩-***同作用的装置，其特征在于：所述上部结构等效模型的振动为侧移、下沉、上拔、扭转中的一种或多种的耦合。
10.一种模拟群桩动力效应和桩-***同作用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
上部结构振动的模拟：将上部结构等效成刚体模型，在动力荷载作用下发生的振动均通过振动平台实现；
上部结构与桩基的连接：上部结构与桩基通过弹性约束连接，连接刚度由上部结构和下部结构的特点共同决定；
桩基所在土壤类别的模拟：通过在容器中装入介质实现土壤类别的模拟；
桩基与地基的连接：桩基与地基的连接包括2个方面：桩顶与地基的接触和桩身与地基的接触，桩顶与地基的接触通过弹性连接实现，桩身与地基的接触通过改变桩身的粗糙程度、周围土壤的压实程度实现；
群桩动力响应的测量：在桩基模型中布设加速度传感器和应变片，测量由上部结构的动力响应而引起的群桩基础的动力响应；
桩***同作用大小的测量：在桩基模型与地基的接触表面布设传感器，测量桩-土接触面上的摩擦力和挤压力，在周围地基中布设传感器，测量周围土壤的变形。
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