一种大跨度桥梁地震土体演变模拟的试验模型及测试方法

本发明涉及地震模拟与检测，尤其涉及一种大跨度桥梁地震土体演变模拟的试验模型及测试方法。

背景技术：

1、地震带来的灾害主要是由于地震以波的形式向地表传播，能量向外传播和耗散的结果，地震的破坏作用必须通过场地进行传递，结构物又依托于场地上，不同的场地条件对地震波的传播能力不同，对地震响应的程度也有差别，因此，抗震分析的前提是进行场地地震反应分析，也即求解地震作用下土体的动力学参数。大跨度桥梁结构自重大、重心高、横向刚度弱，在地震作用下受土体效应影响更加显著，因此开展地震作用下场地土体演变对大跨度桥梁的影响模拟试验具有重要意义。

2、中国专利cn110108427b公开了“一种桥梁加载模拟试验装置”，该试验装置包括试验台、支架、模拟梁、振动系统及控制系统，支架安装在试验台上，模拟梁安装在支架的顶部，振动系统安装在支架或试验台上、且还与所述模拟梁底部接触；振动系统与控制系统连接，振动系统在控制系统控制下产生不同频率和/或振幅的振动，将振动传递给模拟梁。该试验装置针对性的模拟桥梁在地震中的变形和振动情况，然而对于大跨度桥梁需要考虑土体在地震中演变对桥体结构的影响，该专利技术方案难以满足模拟要求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种大跨度桥梁地震土体演变模拟的试验模型及测试方法，在一个振动台下结合阻尼控制装置及协同控制系统，考虑土体演变过程，实现地震场地效应和非一致激励下桥梁地震响应模拟，满足多种应用条件下大跨度桥梁的地震试验模型。

2、技术方案：本发明所述的一种大跨度桥梁地震土体演变模拟的试验模型，所述试验模型包括：

3、振动台；

4、大跨度桥梁模型，所述大跨度桥梁模型包括桥体以及支撑桥体的多根桥墩基座；

5、阻尼控制装置，所述阻尼控制装置包括固定连接在所述桥墩基座底端的多组，所述阻尼控制装置固定连接所述振动台上；

6、振动机构，所述振动机构包括设置在振动台四周的多组，所述振动机构驱动振动台沿着空间坐标x/y/z向振动；

7、协同控制系统，所述协同控制系统包括分别设置在阻尼控制装置内的处理器以及与处理器电连接的加速度传感器和位移传感器，所述加速度传感器、位移传感器分别采集所述阻尼控制装置的加速度、位移数据信息，并将数据信息反馈至处理器进行处理。

8、优选地，所述阻尼控制装置包括安装基板以及安装基板上固定设置的减振缸；

9、所述减振缸包括缸体，所述缸体内竖向设置窜动组件，所述窜动组件可沿着其轴向、径向窜动，且窜动组件顶端设置有安装顶板。

10、优选地，所述缸体内腔由分隔板分为上部腔体和下部腔体；所述上部腔体内盛装有磁流变液，且上部腔体顶部、底部中心分别开设有轴孔以及封堵轴孔的密封板；

11、所述窜动组件包括移动轴，所述移动轴穿过上部腔体延伸至下部腔体，且移动轴中部设置安装柱，所述安装柱内设置安装腔体，且安装柱位于上部腔体内；

12、所述移动轴顶端与安装顶板固定连接，且移动轴底端设置有位于下部腔体内支撑盘；

13、所述上部腔体周向缸体侧壁以及安装柱周向侧壁内分别配合设置有第一电磁单元，所述第一电磁单元通电后产生电磁场；

14、所述支撑盘周向以及下部腔体底板周向分别配合设置有第二电磁单元，所述第二电磁单元通电后产生电磁场。

15、优选地，所述处理器和加速度传感器设置在安装柱内；所述位移传感器设置在所述支撑盘上。

16、优选地，所述处理器包括控制模块以及与控制模块连接的可调带通滤波模块、信号放大模块、电流驱动模块。

17、优选地，所述振动机构包括驱动缸和传动机构；

18、所述传动机构包括固定连接在振动台侧壁上的支撑槽块，所述支撑槽块内通过竖向设置的第一铰接轴、水平设置的第二铰接轴连接有支撑块，所述支撑块与驱动缸的活塞杆前端固定连接。

19、优选地，所述下部腔体的缸体内壁设置有防撞泡沫层。

20、优选地，所述上部腔体的缸体侧壁上贴有隔磁层。

21、优选地，所述振动台板面上均布有多个定位孔。

22、本发明还公开了一种试验模型的动力响应模拟的测试方法，该测试方法包括以下步骤：

23、步骤1：将振动台通过其周向设置的多组振动机构连接在支撑架上，并保持振动台处于悬空状态；

24、步骤2：依据大跨度桥梁模型尺寸以及其相应的桥墩基座位置，将与桥墩基座数量一致的阻尼控制装置固定安装在振动台对应位置上，通过吊机将大跨度桥梁模型吊装至阻尼控制装置上方，并通过固定螺栓将桥墩基座与阻尼控制装置固定连接；

25、步骤3：依据大跨度桥梁的结构尺寸，采用振动台模拟大跨度桥梁的土层特性，依据试验需求设置土层初始参数，并控制振动机构带动振动台以所需频率振动；

26、步骤4：振动台沿着空间坐标x/y/z向振动并将振动传递给各个阻尼控制装置，引起阻尼控制装置的窜动组件沿着减振缸内腔横向或/和纵向变位；窜动组件将振动传递给大跨度桥梁模型；

27、步骤5：协同控制系统中的加速度传感器、位移传感器分别采集窜动组件的位移、加速度数据信息，并将数据信息传递给处理器处理，数据信息经过可调带通滤波，带通范围根据土体物性确定，通过信号放大后，重新调整设定阻尼大小，进一步经过电流驱动实时调整阻尼力，模拟土体物性演变过程，各协同控制系统之间协同控制，实现地震场地效应和多点非一致激励下桥梁地震响应模拟，最后收集地震过程中大跨度桥梁的动态响应数据，以便于分析大跨度桥梁结构响应情况。

28、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

29、1、本发明的试验模型，可依据试验需求设置土层初始参数，并输入电流驱动，当振动台以设定的频率振动时，振动台将振动传递给阻尼控制装置，并引起窜动组件在减振缸内发生变位，加速度传感器、位移传感器分别采集阻尼控制装置的加速度、位移数据信息，并将数据信息反馈至处理器进行处理，处理器接受数据后经过可调带通滤波，带通范围根据土体物性确定，经过信号放大后，可结合历史数据以及当前的位移和加速度数据，根据设定的土体特性调节相应的阻尼，阻尼调节控制是通过电流驱动转化为磁场改变，利用磁流变液所处环境磁场变化，进而改变阻尼力大小，进而模拟土体物性演变过程，各协同控制系统之间协同控制，实现地震场地效应和多点非一致激励下桥梁地震响应模拟，最后收集地震土体演变过程中大跨度桥梁的动态响应数据，分析大跨度桥梁结构响应情况;

30、2、地震过程中，土壤可能发生液化，土体性质会发生变化，进而对结构产生影响。本发明能够在振动过程中采集记录时程数据，结合瞬时数据，计算调整阻尼力来研究地震作用下土体性质改变对结构影响；

31、3、各协同控制系统之间协同控制，可辅助振动台模拟地震场地效应和非一致激励下桥梁地震响应，真实模拟大跨度桥梁各个桥墩基座结构的动力响应，提高实验模型的真实性和准确度；

32、4、阻尼控制装置及协同控制系统便于振动台上的拆卸或安装，便于地震激励位置的调整；适用不同尺度大跨度桥梁模型，应用范围广泛，降低试验成本和场地设备的要求。