本發(fā)明涉及試驗機械領(lǐng)域，尤其是涉及一種振動臺模型試驗所用的模型箱。

背景技術(shù)：

地球上絕大部分地震為構(gòu)造地震，幾乎所有地震災(zāi)害都來自構(gòu)造地震。淺源構(gòu)造地震的震源深度為60～70km，占地震總數(shù)的72％，其頻率高、強度大，是工程建設(shè)中危害最大的地震類型。

根據(jù)地震波傳播的基本理論，可以假設(shè)巖土介質(zhì)為均勻、各項同性和完全彈性的。在介質(zhì)內(nèi)部，地震波在震源處呈放射狀往外傳播，稱為體波。體波可分為縱波和橫波?？v波可在固體或液體中傳播，其傳播方向與介質(zhì)質(zhì)點的振動方向一致，波速與介質(zhì)體應(yīng)變相關(guān)，一般表現(xiàn)為周期短、振幅小、速度快。而橫波只能在固體中傳播，其介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與傳播方向垂直，波速與介質(zhì)剪切模量相關(guān)，故又稱為剪切波。橫波表現(xiàn)為周期長、振幅大、波速較縱波慢。地震荷載作用下，巖土介質(zhì)存在多方向的振動，淺層地基以剪切變形為主。

為模擬土體在地震荷載下的復(fù)雜響應(yīng)問題，常采用振動臺模型實驗，并將土體模型安設(shè)在模型箱內(nèi)。由于土體被限制在有限空間內(nèi)，而模型箱振動形態(tài)的變化和箱體邊界處對地震波的反射，振動臺模型實驗常受到“模型箱效應(yīng)”的影響。常用的模型箱有剛性模型箱、圓筒型柔性模型箱和層狀剪切模型箱三種。剛性模型箱的側(cè)壁柔性材料較難選擇，圓筒型柔性模型箱外包纖維帶的間距較難處理，兩種模型箱的模型箱效應(yīng)均較大，且難以模擬土體發(fā)生剪切變形。而疊層剪切模型箱由多層框架自下而上疊合而成，層間放置滾動裝置，以實現(xiàn)層間無摩擦的自由滑動，邊界效應(yīng)較弱，對土體剪切變形的模擬較好。

現(xiàn)有疊層剪切模型箱存在以下缺陷：

1、模型箱無法實現(xiàn)雙向自由滑動。地震動傳播過程中，自然狀態(tài)的土體發(fā)生水平雙方向及垂直方向的振動。為模擬土體的自由振動，模型箱的框架間需設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)水平兩方向自由滑動的裝置。

2、模型箱各框架的層與層間的位移最大剪切變形可控度差。

3、模型箱沒有設(shè)置可活動調(diào)節(jié)框架的層間相對位移大小的裝置，對土體剪切變形的模擬效果較差。

4、模型箱無法限制整體框架位移。

5、在振動臺實驗中，實驗設(shè)計分為考慮側(cè)向土壓力和不考慮側(cè)向土壓力兩種。現(xiàn)有設(shè)計未考慮側(cè)向土壓力且也無法調(diào)整其大小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述情況不足，旨在提供一種可實現(xiàn)框架間自由滑動且層間位移可控可調(diào)的模型箱。

一種雙向剪切疊層模型箱，包括底板和10層以上的框架，所述框架從上往下依次疊設(shè)在底板上，最下層的框架與所述底板固定連接，相鄰所述框架之間通過萬向滾珠軸承抵接，所述萬向滾珠軸承嵌設(shè)于所述框架的上部且對稱設(shè)置；所述框架由四條相互垂直的邊框首尾相接合圍而成，四條所述邊框中部均設(shè)有圓柱體形的限位凹槽，四條所述邊框的下方均連接有圓柱體形的限位銷，所述限位銷位于所述限位凹槽的正下方且垂直于所述邊框；所述限位凹槽內(nèi)設(shè)有空心圓柱狀的限位調(diào)節(jié)器。

進一步的，四條所述邊框的側(cè)面還連接有圓弧環(huán)狀的限位環(huán)，所述限位環(huán)與所述邊框之間形成限位孔，從上往下的所述限位孔貫通形成限位孔道，所述限位孔道內(nèi)置有圓柱體條狀的土壓模擬器；所述土壓模擬器的下端固定連接在底板上，上端套設(shè)有活動限位裝置，所述活動限位裝置可固定連接與所述土壓模擬器的上端某一位置且遠離最上層的所述框架。

進一步的，所述限位環(huán)連接于同一邊框側(cè)面的數(shù)量為兩個，所述限位環(huán)與所述邊框的連接位置恒定。

進一步的，所述限位環(huán)均連接在離所述邊框的最近端面距離為四分之一的邊框總長度的位置。

進一步的，所述土壓模擬器可選不同剛度的材料。

進一步的，所述活動限位裝置通過螺栓連接所述土壓模擬器。

進一步的，所述土壓模擬器為鋼條。

本發(fā)明通過設(shè)置萬向滾珠軸承可實現(xiàn)框架之間萬向自由滑動且層間摩擦力小的效果，通過設(shè)置相互適配的限位凹槽和限位銷可實現(xiàn)層間位移可控，通過進一步設(shè)置限位調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)層間位移可調(diào)。本發(fā)明設(shè)計完善，科學(xué)合理，使置于框架內(nèi)的土體能夠?qū)崿F(xiàn)多方向的剪切運動，更加科學(xué)的模擬其在地震荷載作用下的運動特性以及原型地基和結(jié)構(gòu)物的受激振動過程，為土體實驗提供了理想的剪切變形條件。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明單層框架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明限位凹槽、限位調(diào)節(jié)器和限位銷的位置關(guān)系剖面示意圖；

圖4是本發(fā)明土壓模擬器的連接關(guān)系示意圖。

附圖標記說明：

1、框架；3、底板；5、萬向滾珠軸承；7、土壓模擬器；11、限位凹槽；13、限位調(diào)節(jié)器；15、限位銷；16、邊框；17、限位環(huán)；19、限位孔；71、活動限位裝置。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

請一并參照圖1至圖4，一種雙向剪切疊層模型箱，包括底板3和框架1，所述框架1的數(shù)量為10層以上且從上往下依次疊設(shè)在底板3上，最下層的框架1與所述底板3固定連接，相鄰所述框架1之間通過萬向滾珠軸承5抵接，所述萬向滾珠軸承5嵌設(shè)于所述框架1的上部且對稱設(shè)置。每一層設(shè)有12個萬向滾珠軸承5，所述萬向滾珠軸承5的滾珠球面抵接支撐上一層的框架1。由此，可實現(xiàn)框架之間萬向自由滑動且層間摩擦力小的效果。如圖3所示，所述框架1由四條相互垂直的邊框16首尾相接合圍而成，四條所述邊框16中部均設(shè)有圓柱體形的限位凹槽11，四條所述邊框16的下方均連接有圓柱體形的限位銷15，所述限位銷15位于所述限位凹槽11的正下方且垂直于所述邊框16。工作時，上一層框的所述限位銷15正好卡入下一層框的限位凹槽11中，由于限位銷15只能在限位凹槽11的圓周范圍內(nèi)運動，限位銷15又固定連接框架1，從而實現(xiàn)框架1位移可控即層間位移可控。優(yōu)選的，所述限位凹槽11內(nèi)可設(shè)有空心圓柱狀的限位調(diào)節(jié)器13。工作時，上一層框的所述限位銷15正好卡入下一層框的限位調(diào)節(jié)器13的圓柱狀空腔內(nèi)，可進一步壓縮限位銷15的運動空間，可實現(xiàn)對框架1位移即層間位移可調(diào)。優(yōu)選的，所述限位調(diào)節(jié)器13的尺寸上設(shè)置有不同的規(guī)格可供選擇，可進行進一步的精細化操作調(diào)整。

不考慮側(cè)向土壓力時，從上往下依次疊設(shè)的框架1自由振動，框架1的四個邊框16不設(shè)置約束。在考慮側(cè)向土壓力時，可做如下創(chuàng)造性的設(shè)計。四條所述邊框16的側(cè)面還連接有圓弧環(huán)狀的限位環(huán)17，優(yōu)選地，所述限位環(huán)17與所述邊框16之間形成限位孔19，從上往下的所述限位孔19貫通形成限位孔道，所述限位孔道內(nèi)置有圓柱體條狀的土壓模擬器7。優(yōu)選地，所述限位環(huán)17連接于同一邊框16側(cè)面的數(shù)量為兩個，所述限位環(huán)17與所述邊框16的連接位置恒定。插入限位孔19組成的8個限位通道內(nèi)的土壓模擬器7的數(shù)量為8個且沿著框架的四個邊框16方向兩兩對稱設(shè)置，提高了模型箱總體框架層的整體穩(wěn)定性。進一步的，所述限位環(huán)17均連接在離所述邊框16的最近端面距離為四分之一的邊框總長度的位置，結(jié)合所述限位凹槽11和萬向滾珠軸承5的位置，使結(jié)構(gòu)布局更加科學(xué)合理，模型箱總體框架層整體穩(wěn)定性更高。土壓模擬器7可根據(jù)需要選擇不同剛度的材料，優(yōu)選在鋼條中選擇不同剛度的材料。剛度是使物體產(chǎn)生單位變形所需的外力值。剛度與物體的材料性質(zhì)、幾何形狀、邊界支持情況以及外力作用形式有關(guān)。所述土壓模擬器7的下端固定連接在底板3上，上端套設(shè)有活動限位裝置71，活動限位裝置71可沿著土壓模擬器7上下滑動，當(dāng)?shù)竭_預(yù)定位置，優(yōu)選通過螺栓固定，簡單快捷。工作時，所述活動限位裝置71可固定連接與所述土壓模擬器7的上端某一位置且遠離最上層的所述框架1，給最上層的所述框架1留下運動的適當(dāng)?shù)母挥嚅L度。在振動過程中，模型箱總體框架層位移時刻變化，當(dāng)模型箱總體框架層有很大相對位移時，而土的剪切變形不宜過大，通過上述設(shè)計在土壓模擬器7固定一個活動限位裝置71，給最上層的所述框架1留下運動的適當(dāng)?shù)母挥嚅L度，同時該土壓模擬器7的下端固定，當(dāng)達到預(yù)定極限位置時，活動限位裝置71可以卡在限位環(huán)17的上方，從而達到限制總位移的作用，可防止總位移過大。

綜上所述本發(fā)明的效果如下：

1、通過在各層框架1上部嵌設(shè)有對稱的萬向滾珠軸承5，使得框架1在水平兩方向自由滑動，實現(xiàn)模型箱總體框架層雙向自由滑動。通過將限位凹槽11設(shè)置為圓柱體形，限位調(diào)節(jié)器13設(shè)置為空心圓柱狀，限位銷15設(shè)置為圓柱體形，使接觸方式均為摩擦力最小的圓面接觸，邊界效應(yīng)最弱，科學(xué)模擬其在地震荷載下的運動特性，為土體實驗提供了理想的剪切變形條件。

2、通過在各層框架1的四個邊框16上對稱設(shè)置限位凹槽11和限位銷15，上層框架1的限位銷15恰好落入限位凹槽11中，限制框架1的相對位移，層間運動范圍可控。

3、通過在限位凹槽11內(nèi)投入不同規(guī)格的限位調(diào)節(jié)器13，上層框架1的限位銷15恰好落入限位凹槽11中，調(diào)節(jié)限位銷15內(nèi)的可運動范圍，達到限制層間相對位移且可模擬不同程度的土層剪切變形的目的，實現(xiàn)框架層間相對位移可調(diào)。

4、當(dāng)考慮側(cè)向土壓力時，通過在限位孔19內(nèi)插入不同剛度材料的土壓模擬器，可得到不同剛度的側(cè)向約束力，模擬不同大小的土體側(cè)向壓力，同時提高了模型箱總體框架層的整體穩(wěn)定性。

5、通過在土壓模擬器7上端部設(shè)置活動限位裝置71，控制模型箱總體框架層在振動方向的整體位移。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。