CN111521364B - 近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置及其模拟方法，土体箱的底板包括可活动钢板和固定钢板；可活动钢板为活动板，且和四周紧邻侧的间隙用帆布软连接；可活动钢板的底面四角分别固定有连接装置上部；底座的底部固定设有两块反力钢板，每块反力钢板上两端分别固定一个连接装置下部和角度支座；作动器顶部与连接装置上部铰接，底部与连接装置下部铰接；角度支座以设定角度支撑作动器。作动器顶升，推动可活动钢板以设定角度设定速率抬升上部土体箱中的土体，以此模拟地震中逆断层上盘土体的抬升产生的近断层地震动。本发明通过分析产生的近断层地震动对桥梁模型的影响进一步发展到真实桥梁损伤破坏机理的研究。
Description
技术领域
本发明涉及地震试验技术领域，具体为一种近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置及其模拟方法。
背景技术
桥梁是交通线路的重要组成部分，是跨越山川、沟壑、河流等特殊地形的重要通行手段，尤其是我国地形条件复杂的西部地区。同时西部地区板块构造活动强烈、断层分布广泛、地震活动较为频繁，桥梁往往临近或直接跨越活动断层。大量研究表明，活动断层的突发错动是产生地震的主要根源，且活动断层沿线是是建筑物破坏与人员伤亡最严重的区域。发生地震时桥梁作为重要的交通枢纽一旦发生破坏不仅会造成巨大的直接损失还会对灾后救援、物资运输带来不利影响。因此研究近断层地震动作用下对桥梁的损伤破坏机理具有重要意义。
近断层地震动作为一种特殊的地震动具有方向性效应、滑冲效应、高幅值脉冲效应等特点。目前对于近断层地震动作用下桥梁损伤破坏的研究手段主要分为震害实例调查、模型试验、理论分析三大类。其中模型试验既直观可控又便于采集数据，因此是一种重要的研究手段。本发明基于此研究方向提供了一种常重力缩尺模型试验装置。
目前常见的常重力缩尺模型试验装置多为振动台试验或人工震源试验，它们多存在以下问题：(1)模型尺寸限于振动台或其他加载平台，缩尺比例较大；(2)难以准确模拟真实断层错动所产生的近断层地震动，近断层地震动的特点不能很好体现；(3)无法便捷的调整输入变量进行多个不同工况下的试验，以实现不同条件下的试验分析。
发明内容
本发明针对现有试验装置的不足，提供了一种大尺寸、可变角度的一种近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置及其模拟方法，较好地解决了现有试验装置存在的上述缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置，包括土体箱、底座、作动器、连接以及桥梁模型；桥梁模型包括桥梁主体、桥梁基础；桥梁基础位于土体箱内；
所述的土体箱的箱体两正视侧壁为透明，底面有底板；
底板包括可活动钢板和固定钢板；固定钢板的固定在土体箱底部，可活动钢板为活动板，且和四周紧邻侧的间隙用帆布软连接；可活动钢板底部设双层夹井字梁钢板，可活动钢板的底面四角分别固定有连接装置上部；
底座的底部固定设有两块反力钢板，反力钢板与地面紧密接触，每块反力钢板上两端分别固定一个连接装置下部和角度支座；
作动器设置在底座内，位于土体箱下；作动器顶部与连接装置上部铰接，底部与连接装置下部铰接；角度支座以设定角度支撑作动器。
所述的角度支座包括两块设有斜边的钢板平行焊接放置，斜边固定有厚钢板，厚钢板上设有一块半径与作动器一致的圆弧形钢块，圆弧形钢块与作动器接触支撑作动器。
上述近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
将作动器以设定角度安装并用角度支座支撑好后开始在土体箱中装入粘土或其他土质，按照需要密实度分层夯实，在分层装土过程中按照试验方案在土中不同位置埋入土压力计、加速度计等传感器；
装土完成后将桥梁模型的桥梁基础按预定位置埋入土中，桥梁基础、桥梁主体的关键部位粘贴应变片或其他传感器；在土体上方表面放置位移传感器、摄像设备监测仪器；
试验开始时控制作动器以设定速率顶升，断层错动，上覆土层位移破裂产生地震动；
以数据采集***收集并记录过程中各个传感器的数据；对试验现象进行观察分析并摄像记录；
根据试验方案改变传感器类型或布置位置，或者改变断层错动参数(加载角度、加载速率等)以及桥梁模型参数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)自行设计的大尺寸模型装置，试验现象明显，可操作可重复强，实验结果与以往研究及经验实际相符；
(2)特殊设计的加载原理，通过同步顶升作动器推动可活动钢板，以此模拟活动断层错动引发上覆土体破裂，符合近断层地震动的相关特点；
(3)同时结合断层错动模型和桥梁模型，断层错动模型通过连接装置和角度支座配合可便捷的改变作动器加载方向；桥梁模型基础埋于土层中，位置、埋深以及桥梁类型均可根据试验方案改变，以开展不同工况条件下近断层地震动作用下对桥梁的损伤破坏机理研究。
附图说明
图1是本发明实施例试验装置的结构总体正视图；
图2是本发明实施例土体箱的俯视图；
图3是本发明实施例加载平台的结构示意图；
图4是本发明实施例底座的俯视图；
图5是本发明实施例连接装置的结构示意图；
图6是本发明实施例支撑装置的示意图；
图7是本发明实施例桥梁模型的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置，包括土体箱1、底座2、作动器3、连接以及桥梁模型；如图7所示，桥梁模型包括桥梁主体10、桥梁基础11；桥梁基础11位于土体箱1内；
所述的土体箱1的箱体两正视侧壁为透明，底面有底板；
土体箱1是土的容器，为矩形体，框架由12条方钢焊接搭建而成；两侧面是15mm厚的钢板；两正视面为双层有机玻璃，有机玻璃厚12mm，既便于直接观察试验现象又保证了强度；上面无遮挡方便装土卸土，底面有底板。土体箱1框架以高强度螺栓固定在底座2上。
如图2、图3所示，底板包括可活动钢板7和固定钢板8；固定钢板8的固定在土体箱1底部，可活动钢板7为活动板，且和四周紧邻侧的间隙用帆布软连接；可活动钢板7底部设双层夹井字梁钢板，可活动钢板7的底面四角分别固定有连接装置上部4。
可活动钢板7为加载板，四周均是活动的且和四周紧邻侧间隙用帆布软连接，避免加载过程中土的掉落。可活动钢板7底部为双层夹井字梁钢板，防止加载过程中钢板变形过大，保证同步平稳加载。
底座2的底部固定设有两块反力钢板9，反力钢板9与地面紧密接触，如图4所示，每块反力钢板9上两端分别固定一个连接装置下部5和角度支座6；
作动器3设置在底座2内，位于土体箱1下；作动器3顶部与连接装置上部4铰接，底部与连接装置下部5铰接；角度支座6以设定角度支撑作动器3；
如图5、图6所示，底座2为8mm厚的120mm方钢构成的框架，底部有两块反力钢板9焊接在底座上并与地面紧密接触，反力钢板9的作用是方便固定连接装置下部5和角度支座6，并为作动器3顶升土体提供反力支撑。不直接用地面做反力支撑的原因是作动器3顶升过程会推动底座2移动。
如图6所示所述的角度支座6包括两块设有斜边的钢板平行焊接放置，斜边固定有厚钢板，厚钢板上设有一块半径与作动器一致的圆弧形钢块，圆弧形钢块与作动器3接触支撑作动器3，增大接触面积以防损坏作动器3。
图6所示为70°角度支座，由于连接装置上部4、连接装置下部5与作动器3均为铰接，因此角度支座6起着控制加载方向的作用。因角度支座6受力较大，因此对其进行特殊设计。角度支座6由两块6mm厚钢板平行焊接放置，斜边焊接有一块2cm厚钢板。为了，角度支座6以一块半径与作动器3一致的圆弧形钢块与作动器3接触。角度支座6与反力钢板9固定连接。
当需要调整角度时，将连接装置上部4从可活动钢板7上移除，将角度支座6从反力钢板9上移除。作动器3底部连接不变，调整作动器3方向，安装新的连接装置上部4和角度支座6，角度调整即可完成。
装土完成后将桥梁基础11按试验方案埋于土层中。桥梁模型结构类型、基础类型、基础埋深以及距断层位置等均可根据研究目的不同做出相应调整，进行不同工况研究。
本发明的运作方式为：可活动钢板7起到承接土体及推动土体的作用，四个作动器3同步顶升，在反力钢板9和角度支座6支撑下推动可活动钢板7以设定角度设定速率抬升上部土体箱1中的土体，以此模拟地震中逆断层上盘土体的抬升产生的近断层地震动(土体抬升侧为上盘，不动侧为下盘)。通过分析产生的近断层地震动对桥梁模型的影响进一步发展到真实桥梁损伤破坏机理的研究。
具体的，近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置及其模拟方法，包括以下步骤：
将作动器3以设定角度安装并用角度支座6支撑好后开始在土体箱1中装入粘土或其他土质，按照需要密实度分层夯实，在分层装土过程中按照试验方案在土中不同位置埋入土压力计、加速度计等传感器；
装土完成后将桥梁模型的桥梁基础11按预定位置埋入土中，桥梁基础11、桥梁主体10的关键部位粘贴应变片或其他传感器；在土体上方表面放置位移传感器、摄像设备监测仪器；
试验开始时控制作动器3以设定速率顶升，断层错动，上覆土层位移破裂产生地震动；
以数据采集***收集并记录过程中各个传感器的数据；对试验现象进行观察分析并摄像记录；
根据试验方案改变传感器类型或布置位置，或者改变断层错动参数(加载角度、加载速率等)以及桥梁模型参数。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置，其特征在于，包括土体箱（1）、底座（2）、作动器（3）、连接以及桥梁模型；桥梁模型包括桥梁主体（10）、桥梁基础（11）；桥梁基础（11）位于土体箱（1）内；
所述的土体箱（1）的箱体两正视侧壁为透明，底面有底板；
底板包括可活动钢板（7）和固定钢板（8）；固定钢板（8）的固定在土体箱（1）底部，可活动钢板（7）为活动板，且和四周紧邻侧的间隙用帆布软连接；可活动钢板（7）底部设双层夹井字梁钢板，可活动钢板（7）的底面四角分别固定有连接装置上部（4）；
所述的底座（2）的底部固定设有两块反力钢板（9），反力钢板（9）与地面紧密接触，每块反力钢板（9）上两端分别固定一个连接装置下部（5）和角度支座（6）；
作动器（3）设置在底座（2）内，位于土体箱（1）下；作动器（3）顶部与连接装置上部（4）铰接，底部与连接装置下部（5）铰接；角度支座（6）以设定角度支撑作动器（3）；
所述的角度支座（6）包括两块设有斜边的钢板平行焊接放置，斜边固定有厚钢板，厚钢板上设有一块半径与作动器一致的圆弧形钢块，圆弧形钢块与作动器（3）接触支撑作动器（3）。
2.根据权利要求1所述的近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
将作动器（3）以设定角度安装并用角度支座（6）支撑好后开始在土体箱（1）中装入粘土或其他土质，按照需要密实度分层夯实，在分层装土过程中按照试验方案在土中不同位置埋入土压力计、加速度计传感器；
装土完成后将桥梁模型的桥梁基础（11）按预定位置埋入土中，桥梁基础（11）、桥梁主体（10）的关键部位粘贴应变片或其他传感器；在土体上方表面放置位移传感器、摄像设备监测仪器；
试验开始时控制作动器（3）以设定速率顶升，断层错动，上覆土层位移破裂产生地震动；
以数据采集***收集并记录过程中各个传感器的数据；对试验现象进行观察分析并摄像记录。
3.根据权利要求2所述的近断层地震动作用下桥梁损伤破坏模拟装置的模拟方法，其特征在于，根据试验方案改变传感器类型或布置位置，或者改变断层错动参数以及桥梁模型参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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