层状双向剪切模型箱的设计及振动台试验验证

层状剪切模型箱是土-结动力相互作用振动台试验中的重要设备.针对地下结构非一致地震作用振动台阵试验,设计了能够在相互垂直的两个方向上均满足层间剪切变形的模型箱,并利用自由场振动台试验结果对模型箱性能进行了检验,提出采用2-范数偏差方法对模型箱边界效应进行了定量分析和对比.结果表明,所研制的模型箱性能良好,能够正确模拟原型场地的水平地震动特性,采用2-范数偏差方法能够较好地描述模型箱的边界效应.     

振动台多功能叠层剪切箱研制

 振动台模型试验是研究地震作用下土–结构动力相互作用的重要方法,而土箱的性质将直接影响到试验结果的可靠性。在总结国内外研制土箱经验的基础上,研制出刚度可调的多功能叠层剪切箱。该剪切模型箱可完成单向和多向振动台土–结构动力相互作用试验;针对不同试验中所选择的模型土种类的不同,本剪切模型箱可调整水平向剪切箱刚度,以更好地模拟水平场地边界效应问题。通过全黏土层中三层三跨地下结构试验验证剪切模型箱模拟水平场地边界效应问题;并通过砂土夹层中三层三跨地下结构试验,验证本剪切箱能够较好地完成三维土–结构相互作用振动台试验。     

动静耦合剪切模型箱的设计分析及试验验证

根据地层在地震中的响应特性,设计了一种动静耦合剪切模型试验装置。该装置是由侧板组件、阻尼组件和端面板组件组成的可剪切变形的空间结构体。目前在研究隧道工程结构地震响应机理的动力试验中所采用的模型箱主要有刚性模型箱、柔性模型箱以及层状剪切模型箱,但这3种模型箱因各自的结构特点都具有一定的缺陷和不足。为了能够更好地满足静力及动力边界效应,设计了该新型试验模型箱,并通过振动台动力试验验证该模型箱的有效性。基于该模型箱提出并验证了利用拟静力试验方法研究隧道的振动响应。通过拟静力试验和动力试验结果的对比,认为拟静力试验可以一定程度替代动力试验。     

地下结构地震破坏机制试验研究

利用自行研制的三维叠层剪切模型箱,完成黏土层中典型三层三跨地铁车站模型的地震响应大型振动台试验。通过对车站模型结构和土层中的加速度时程及其傅里叶频率幅值谱的对比研究,分析地下结构动应变变化规律及结构破坏宏观现象。揭示地下结构地震破坏机制为地下结构地震响应主要受周围土层控制,土层相对较软时,地下结构易发生破坏。同时,埋深越浅,地下结构破坏越严重。地下结构的地震破坏模式是地下结构周围土体的剪切变形使结构产生层间相对位移,当位移过大时,楼板与侧墙将发生拉伸破坏。而柱子则在剪切或弯矩作用下可分别产生剪切破坏和弯曲破坏,或在同一根柱子上同时出现剪切和弯曲组合破坏。     

ZJU400 离心机研制及其振动台性能评价

土工离心机可以产生与原型相同的自重应力,保证模型破坏机制与原型一致,是解决岩土工程、水利工程和环境工程等领域复杂问题的理想试验模拟手段。搭配机载振动台系统,离心机还可以在原型应力条件下探讨地震引起的建构筑物变形和稳定特性。鉴于离心机振动台的科研价值,浙江大学建造了有效旋转半径为 4.5 m 、负载能力 400gt 的双吊篮臂式离心机,可开展 150g 重力加速度下的静态试验和 100g 重力加速度下的动态试验,吊篮尺寸达 1500 mm×1200 mm×1500 mm 。同时,离心机配置了最大振动幅值为 0.6 cm 、最大振动加速度为 40g 的振动台系统,可进行有效负重小于 500 kg 水平单向地震动响应模拟。静动力试验使用的刚性模型箱和层状剪切模型箱的最大尺寸分别为 1.2 m×1.0 m×1.0 m 和 600 mm × 350 mm × 449 mm 。通过饱和砂土地基建筑物震陷试验,初步检验了离心机振动台系统的整体性能。     

隧道穿过土层分界面振动台模型试验研究

为了研究穿过不同土层的隧道在地震作用下的反应,进行隧道穿过土层分界面的振动台模型试验。采用自主研制的层叠剪切箱减小边界效应,装填黏土和砂土构成横向非均匀场地,模型隧道的轴线垂直穿过2种土的竖直分界面。通过输入不同幅值的El-Centro波,采集土层和隧道不同观测点处的加速度和应变等数据并进行分析,研究了在不同性质土层中地震波传播的规律以及隧道地震响应的特点,分析土层分界面对于隧道地震响应的影响。试验结果表明,地下结构的变形主要由周围土体的相对位移控制;砂土和黏土动力特性以及对隧道约束作用的差异会导致分界面两侧的隧道地震响应不同,产生相对位移,令隧道产生转动、弯曲和扭剪。     

饱和砂土地基液化特性振动台试验研究

饱和砂土地基试验是研究碎石桩复合地基抗液化性能振动台试验的先导和必要组成部分。本文采用自行研制的简易单向专用振动台和大型叠层剪切变形模型箱完成了两个饱和砂土地基模型的三次振动台试验,验证了模型箱的性能和模型地基内部的均匀性。通过量测振动过程中砂土的超静孔隙水压力,得到了饱和砂土地基液化规律以及振动加密对其抗液化能力的影响。同时,探索了饱和砂土地基液化大型振动台模型试验技术,如饱和砂土模型地基设计与制备、传感器布置、试验加载方案确定等,为今后开展此类试验提供一般的研究思路,并且为后续碎石桩复合地基振动台试验提供了必要的技术经验。     

地基-结构系统振动台模型试验中相似比的实现问题探讨

设计并完成两项刚性桩复合地基-结构系统1∶10比尺的振动台模型试验,对在类似地基-结构系统的普通振动台模型试验中如何使模型与原型相似的几个突出问题进行研究,包括:地基模型箱的选用,以较好模拟地基在地震作用下的振动变形;在重力场相似难以满足的情况下,降低其影响的措施;解决模型结构阻尼比偏低问题的方法.试验中采用柔性地基模型箱,在基础底板用拉索施加下拉力使基底压力在重力场失真情况下基本满足相似条件,在结构模型上附加层间阻尼器使其阻尼比接近实际.通过对试验结果的对比分析,研究上述措施的效果.结果表明,柔性容器可以较好地模拟地基土体在地震下的变形;在基础底板施加竖向力以使基底压力相似的方法有较好的效果;而层间阻尼器可以有效调整模型结构的阻尼比而无其他较明显的不利影响.     

高耸塔台结构地震模拟振动台试验研究及有限元分析

对顶部两层钢框架的高耸筒体塔台结构在地震作用下的动力特性与反应,从模型振动台试验和有限元计算两方面进行了研究。对一个1∶30比例的机场控制塔台模型进行了振动台模拟地震试验,根据试验结果,通过相似关系得到原型结构在地震作用下的动力特性与反应。同时,应用结构有限元分析程序对模型及原型结构进行动力计算,并将两种结果进行比较分析。     

塔型隔震结构多质点体系计算模型及振动台试验研究

本文提出了考虑橡胶隔震支座剪切变形状态下竖向刚度特性的转动刚度计算式,并应用到大高宽比塔型隔震结构体系多质点体系计算模型分析隔震结构的地震反应。本研究同时还完成了5层塔型钢结构隔震模型结构的振动台试验,模型结构加速度反应、层间剪力和隔震层恢复力特性等试验结果与采用多质点体系计算模型解析结果一致,表明多质点体系计算模型可以有效地用于分析塔型隔震结构地震反应。     

Experimental study on seismic response of soilbags-built retaining wall

The seismic performance of soilbags-built retaining wall model was studied experimentally. A series of small-scale shaking table tests with the input of different amplitude sinusoidal waves and a large-scale shaking table test in a designed laminar shear box with the input of the Wenchuan earthquake wave were carried out on soilbags' retaining wall models. For comparison, the small-scale shaking table tests were also conducted on horizontally reinforced retaining wall models. The horizontal acceleration responses, the Fourier spectra, the dynamic earth pressure and the lateral displacements of soilbags' retaining wall models were investigated in shaking table tests. The results show that the seismic response of the soilbags' retaining wall is equivalent to or even slightly better than that of the horizontally reinforced retaining wall. The fundamental frequency and the Fourier spectral characteristics of the soilbags’ retaining wall are similar to those of backfill sands. The dynamic earth pressure of the wall model fluctuates almost synchronously with the input Wenchuan wave and no residual earth pressure is induced by the seismic loading. The permanent lateral displacements are small when subjected to multiple shakings, providing a proof that the retaining wall of soilbags has a good seismic performance.     

结构-群桩基础地震响应离心振动台模型试验

为研究桥梁群桩基础的大质量承台和外露桩基对桩-土动力相互作用效应的影响,分别对低承台（与土接触）和高承台群桩基础进行了离心振动台模型试验。试验中地基土采用了黏质粉土,上部结构简化为质点和杆构件,基础形式包括单桩和群桩。为模拟地震剪切波作用下土层运动效应,采用叠环式层状剪切箱实现土体的层状自由剪切,箱内壁设置橡胶膜以消除边界反射效应。在加速度为5.0g的离心环境中,选取Chi-Chi地震波作为基底激励输入,在不同输入峰值加速度下,分析了结构-群桩基础的地震响应。试验结果表明：与低承台群桩基础相比,高承台形成的群桩外露会增加上部结构和承台的惯性效应,改变桩身峰值弯矩的分布,表现为承台与桩接触处的桩身峰值弯矩下降,但桩身最大峰值弯矩改变较小。     

地震作用下边坡抗滑桩振动台试验研究

通过大型振动台试验研究地震荷载作用下边坡抗滑桩的抗震性能,振动台试验边坡模型放在一个长 3.7 m 、宽 1.5 m 、高 1.8 m 的模型箱中。模型与原型边坡按照尺寸相似比 1 ∶ 20 进行模型试验相似设计。经过配合比试验由标准细砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水组成相似材料,通过控制密度 2.5 g/cm³ 垒入模型箱中。模型振动台试验通过输入 3 种不同的地震波,不断加大输入地震波的幅值,通过监测桩后土压力、边坡坡面加速度和位移响应研究抗滑桩在地震作用下边坡抗震机制和地震作用桩后土压力分布形式和抗滑桩的抗震性能。试验研究为边坡抗滑桩抗震设计奠定了良好的基础。     

地基自由场离心机振动台模型试验研究

在清华大学土工离心机实验室50g 离心场环境中进行了一系列地基自由场离心机振动台试验。试验包括1个砂土地基、1个黏土地基和2个成层土地基振动台试验。试验中模型箱采用叠环式模型箱,其平面尺寸为0.5 m和0.2 m,试验中输入地震波采用Kobe波和Parkfield波。给出了部分试验结果分析,包括加速度时程及频谱反应、加速度峰值放大系数和土层中剪应力-剪应变变化曲线。试验结果发现,不同类型地基中加速度反应存在差异,在低频部分加速度峰值放大系数从底部到顶部逐渐增大。土体中剪应力-剪应变变化规律在砂土地基和黏土地基中存在差异。     

结构-地基相互作用振动台试验中土体边界条件的模拟方法

本文比较了以往试验中采用的几种边界模拟方法,认为采用柔性容器的效果较好。结合本试验的实验情况,设计制作了一个柔性的模型容器。三次自由场运动振动台试验的结果表明,距边界一定距离的测点与土体表层中心测点的反应基本相同,说明边界对内部土体的影响很小,容器较好地消除了边界效应对土体地震反应的影响,土体边界条件模拟的设计是成功的,为进行结构－地基相互作用体系的振动台试验提供了条件。     

振动台土–箱结构模型动力特性及反应的解析分析

在振动台模型试验中,模型箱的设计直接影响到结果的准确性和可靠性。指出了叠层剪切型模型箱存在的主要问题有模型箱的附加质量、层间的摩阻力以及最大位移的限制。基于剪切梁法建立了土柱与模型箱相互作用的简化模型,在土体剪切模量均匀分布和沿高度指数分布的情况下,分别推导了其动力特性与反应的解析解,进而讨论了模型箱尺寸、材料对土体动力特性的影响。结果表明：与纯土柱相比,模型箱附加质量使土–箱系统自振频率减小;模型箱尺寸越大,土–箱结构自振频率误差越小;在相同尺寸下,铝合金模型箱的自振频率误差明显小于钢质模型箱。在此基础上建立了模型箱尺寸和材料应满足的公式。该方法可为设计合理的模型箱提供一定的参考。     

土-结构动力相互作用振动台试验中模型地基影响因素分析

为了给出土-结构动力相互作用大型振动台试验中模型地基设计的一般原则,结合各国已有的典型试验中模型地基的动力响应实测结果,以加速度峰值放大系数及其傅里叶幅值谱为分析依据,从边界效应、模型地基高度、土体含水量及地震波输入次数4个方面对模型地基的振动性态进行了比较分析.结果表明:土箱刚性、土的自振特性、地基高度、土体含水量及地震波的输入次数是影响模型地基动力特性的主要因素,并提出了相应的控制原则.该结论可为同类试验中模型地基的设计和试验的顺利开展提供有益的参考.