考虑土-结构相互作用的拟静力往复推覆试验装置及方法

本发明涉及一种考虑土-结构相互作用的拟静力往复推覆试验装置及方法，属于地下结构抗震试验。

背景技术：

1、地下结构一旦发生地震破坏，不仅造成巨大的经济损失，其修复时间长、修复过程困难，严重影响震后救援。以阪神地震中破坏的大开车站为例，震后结构恢复重建历时一年，重建成本达100亿日元。与地上结构地震反应不同，地下结构水平向地震反应受围岩土体变形的约束，主要取决于结构-围岩土体相对刚度，此外竖向地震动对地下结构地震反应影响显著，地下结构上覆土体的重力和竖向惯性力易造成结构侧向变形能力显著减小，加剧地下结构发生塌毁破坏。

2、常用地震结构抗震性能试验主要有三种普通振动台试验、离心机振动台试验与拟静力推覆试验。普通振动台试验是在1g的重力加速度环境下进行，由于试验模型与真实结构间存在较大几何尺寸差距，故存在重力失真效应，而上覆土体重力与竖向惯性力对地下结构地震反应规律影响显著，较难还原真实结构的抗震性能，难以实现地下结构地震破坏的模拟。离心机振动台试验是在ng的重力加速度环境下进行，可以较好地模拟真实结构受到的重力环境，能够实现地下结构地震破坏的模拟，但受限于振动台尺寸及承载能力，其试验模型几何缩尺比较小，难以表现其细部构造，且不便于数据测试。拟静力试验可以进行较大几何缩尺比试验，可以较好地反映出试验模型的细部构造，试验现象易于观察、数据便于采集，但拟静力试验难以模拟围岩土体与地下结构之间的相互作用，且地震动具有随机性与围岩土体具有成层特性，现有的拟静力试验技术无法对地下结构模型四周同时模拟土-结构相互作用和复杂土层分布中结构的地震反应；并且地下结构模型受到的竖向荷载常通过均载钢梁或钢板直接施加在模型顶板上，当模型受到强制位移而发生变形时，由于顶板的变形，导致均载钢梁或钢板与顶板部分分离，无法合理模拟结构变形过程中上覆土体与结构之间的相互作用；现有拟静力试验技术的强制位移施加模式难以实现往复加载和单推两种模式；弹簧位置受到弹簧导向钢槽限制，弹簧分布灵活性较差，难以模拟复杂土层；施加的强制位移多为倒三角变形模式。因此，无法合理模拟地震中围岩土体与地下结构之间的相互作用规律与地震导致的地下结构破坏模式。如cn111999025a一种考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系拟静力推覆试验装置及方法即存在上述缺陷。

技术实现思路

1、针对现有地下结构抗震试验技术在研究地下结构抗震性能中的上述不足，本发明提供了一种考虑土-结构相互作用的拟静力往复推覆试验装置及方法。

2、本发明采用的具体技术方案如下：。

3、一种考虑土-结构相互作用的拟静力往复推覆试验装置，包括底板、相互作用系统、位移限制器、水平向加载系统、竖向加载系统及地下结构模型。

4、所述相互作用系统由底部滑轨、左侧滑轨、右侧滑轨、顶部滑轨、弹簧滑块及预应力拉杆组成；

5、所述水平向加载系统由反力墙、水平作动器及侧向滑轨固定器组成；

6、所述竖向加载系统由竖向作动器、加载板、滚轴、顶部反力钢梁及竖向反力钢架组成；

7、所述底部滑轨固定在底板上，所述弹簧滑块置于底部滑轨、左侧滑轨、右侧滑轨、顶部滑轨上，所述弹簧滑块可在底部滑轨、左侧滑轨、右侧滑轨、顶部滑轨上自由滑动，所述弹簧滑块通过调整其刚度、数量与位置并拧紧螺栓固定在滑轨上模拟不同地层；所述地下结构模型置于底部弹簧滑块上，将所述位移限制器固定于底部滑轨两侧，以确保所述地下结构模型只能发生转动不能发生水平移动；所述水平作动器通过螺栓与所述反力墙固定；所述左侧滑轨通过侧向滑轨固定器固定于水平作动器上；侧向的弹簧滑块置于每层左侧滑轨、右侧滑轨与地下结构模型之间，所述地左侧滑轨与右侧滑轨每层通过多根预应力拉杆进行连接；所述顶部滑轨与顶部弹簧滑块置于地下结构模型上，使弹簧滑块置于顶部滑轨与地下结构模型之间，通过调整弹簧滑块的刚度、数量与位置模拟上覆土层，所述竖向作动器置于顶部反力钢梁下，所述竖向反力钢架与顶部反力钢梁通过螺栓相连提供反力，所述加载板的顶部与竖向作动器相接触，所述加载板的底部设置有滚轴，所述滚轴与所述顶部滑轨顶部接触并可发生水平向相对滑动。

8、进一步地，所述底部滑轨通过螺栓锚固在底板上。

9、进一步地，所述底部滑轨、左侧滑轨、右侧滑轨和顶部滑轨在其两侧设置有弹簧滑块导向槽，所述弹簧滑块可在滑轨上自由滑动；所述弹簧滑块由加载板、弹簧、底座和紧固螺栓组成；所述弹簧滑块可通过拧紧滑块上的紧固螺栓使其固定在滑轨上，并通过调整弹簧滑块的数量与位置，模拟地下结构周围复杂土层分布形式；所述弹簧滑块中弹簧的刚度需根据地下结构周围土层力学参数确定，模拟实际的土-结构相互作用。

10、进一步地，放置于所述底部滑轨、左侧滑轨、右侧滑轨和顶部滑轨上的弹簧滑块可在所述地下结构模型受到强制位移发生变形过程中仍紧密贴合所述地下结构模型四周，可在试验全程模拟所述地下结构模型四周受到的土-结构相互作用。

11、进一步地，所述位移限制器通过螺栓锚固在所述底部滑轨两侧，并根据试验设计荷载选取相应刚度及厚度的钢板制作，使位移限制器自身在受到水平向荷载时产生的变形满足精度要求；所述位移限制器上的加载板通过转轴与所述位移限制器主体结构相连，转轴可使所述位移限制器上的加载板自由转动。

12、进一步地，所述水平作动器的数量与竖向高度取决于地下结构形式与围岩土层的分布情况，各水平作动器施加的位移量取决于一维场地反应计算出的围岩变形。

13、进一步地，每层所述左侧滑轨放置在每层对应的所述侧向滑轨固定器的两块加载板之间，左侧加载板与所述水平作动器采用铰接连接，左侧加载板与右侧加载板通过上、下两根长螺栓相连，通过拧紧右侧加载板上、下两侧的螺栓将所述左侧滑轨与所述水平作动器相连，可通过启动所述水平作动器对所述地下结构模型施加单推或往复两种形式的强制位移。

14、进一步地，每层所述右侧滑轨通过对多根所述预应力拉杆施加预应力使右侧滑轨与所述左侧滑轨相连，且通过施加预应力使两侧所述弹簧滑块中的弹簧产生可控变形用于模拟地下结构初始应力状态，施加预应力的大小由结构埋深与土层信息计算获得。

15、进一步地，所述竖向作动器对所述地下结构模型施加恒定竖向荷载，用以模拟地下结构在实际工况下所受到的竖向荷载，竖向荷载的大小由上覆土体重力与地震导致的上覆土体竖向惯性力叠加获得；竖向作动器的数量由试验场地条件确定，为最少两个竖向作动器，且根据结构水平向尺寸等间距布置；连接地下结构模型与顶部滑轨的弹簧滑块的弹簧刚度、数量与位置由上覆土层刚度确定。

16、上述拟静力往复推覆试验装置的试验方法，具体包括如下步骤：

17、步骤一：根据地下结构周围土层分布形式、结构形式与试验场地设备条件综合确定所述所有弹簧滑块的弹簧刚度、数量与位置、所述位移限制器所选取相应的材料刚度及材料厚度、所述水平作动器沿地下结构模型高度方向的数量；

18、步骤二：根据地下结构周围土层分布形式，计算获得作用于地下结构模型上的土压力大小，继而确定施加给预应力拉杆的预应力的大小；开展一维场地分析确定各水平作动器施加的最大位移量，并确定各水平作动器最大位移量比例关系；通过惯性力法确定竖向作动器施加荷载的大小；

19、步骤三：将所述底部滑轨置于并固定在所述底板上，将所述弹簧滑块固定在所述底部滑轨相应位置处，将所述地下结构模型放置于底部弹簧滑块上，并将所述位移限制器锚固在所述底部滑轨两侧；按照地下结构模型高度从低到高的顺序安装水平向加载系统，将所述左侧滑轨通过所述侧向滑轨固定器与所述水平作动器相连，将所述已固定好弹簧滑块的右侧滑轨通过所述预应力拉杆与每层所述左侧滑轨相连，将所述已固定好弹簧滑块的顶部滑轨放置在所述地下结构模型上；安装竖向加载系统，并将所述滚轴依照设计放置在加载板的底部，所述滚轴与所述顶部滑轨顶部接触并可发生水平向相对滑动；

20、步骤四：启动所述竖向作动器对所述地下结构模型施加至设计的竖向荷载；

21、步骤五：待竖向荷载稳定地施加至设计值，启动水平向加载系统对所述地下结构模型施加往复增幅水平位移，直至地下结构模型发生破坏；每一往复循环中，各水平作动器最大位移量保持确定的比例关系，每一往复循环后，位移增幅为结构屈服位移的一半。

22、本发明的上述技术方案，能够取得如下技术效果：

23、通过设置在地下结构四周的弹簧的刚度、数量与位置，模拟不同围岩土体与地下结构之间的相互作用；弹簧滑块可在带有滑块导向槽的滑轨上自由滑动和固定，使弹簧滑块灵活布置，不受弹簧钢槽位置约束。根据一维场地反应确定施加在地下结构上的水平变形模式，采用预应力拉杆强制结构两侧侧墙具有相同的变形模式，且实现往复加载。采用惯性力法确定施加在地下结构上的竖向荷载，地下结构模型顶板通过多组弹簧施加竖向荷载，即便顶板产生竖向变形，仍能实现竖向荷载的施加，可减轻结构变形对施加竖向荷载的影响。能够同时考虑水平向与竖向地震动，兼顾场地条件与地震动特性对地下结构地震反应的影响。

24、该装置能够对地下结构模型四周同时通过弹簧考虑土-结构相互作用，弹簧刚度及弹簧摆放位置可选择性高，可实现对不同地层的模拟；结构周围的弹簧能够实现在结构发生变形后仍能施加地震荷载；施加在结构上的水平强制位移与竖向荷载大小，分别通过一维场地反应与惯性力法计算获得，可实现对不同特性地震动的模拟。且该试验装置具备缩尺比大、试验工序简单、经济性强、试验现象易于观察、数据便于采集等优点。

25、试验装置能够对地下结构模型四周同时通过弹簧考虑土-结构相互作用，弹簧刚度及弹簧摆放位置可选择性高；通过调节弹簧刚度、弹簧摆放位置、水平作动器输入位移与竖向作动器输入荷载，可适用于多种类型地下结构的模型试验，可以对地下结构模型进行单向推覆试验或往复推覆试验，且可有效模拟不同围岩状态、埋深下的地下结构模型抗震性能；试验装置缩尺比大；试验工序简单、经济性强、试验现象易于观察、数据便于采集等优点。