离心机振动台试验叠环模型箱边界效应.PDF

第34卷第9期 北京工业大学学报 Vd．34NO．9 OF 2008年9月 JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYTECHNOLoGYSept．2008 离心机振动台试验叠环式模型箱边界效应 刘晶波。刘祥庆，王宗纲 (清华大学土木工程系，北京100084) 摘要：针对离心机振动台试验中常用的叠环式模型箱，进行了单一均匀土和成层土场地在地震作用下的振动 模拟计算，对离心机振动台试验中存在的模型箱效应进行了数值模拟，并结合试验结果对叠环式模型箱边界效 应的影响进行了分析．数值模拟与试验结果表明，叠环式模型箱较好地模拟了自由场在地震作用下的真实反 应，土层的加速度反应峰值、波形以及Fourier幅值谱与精确解误差较小，较好地消除了边界效应对土体地震动 反应的影响． 关键词：离心机；振动台试验；叠环式模型箱；模型箱效应；边界效应 中图分类号：TU435；P315．8文献标识码：A 近年来，国内学者对地下结构的地震反应进行过多次普通振动台试验研究，得到了一定的研究成 果【10】．但普通振动台模型试验在1 g的重力加速度环境下进行，由于模型与原型相比几何尺寸缩小了数 倍，在正常重力条件下，模型的应力水平尤其是自重应力水平与原型有一定差距．对于土一结构相互作用 系统，由于土体为强非线性材料，其剪切模量为剪应变的函数，应力应变水平对土体承载力和变形有较大 影响，振动台试验结果与实际情况相比有一定差距【4J． 目前，动力离心模型试验技术在地震破坏机理、抗震设计计算、数值模型验证等方面显示出巨大的优 J． 越性，并取得了良好的效果[5-7 在振动模型试验中，只能在有限的容器里模拟原型地基，土体受到容器边界的约束作用，人为地增加 了边界．目前对离心机振动台试验中模型箱边界效应影响的研究较少，本文针对离心机振动台试验中常 用的叠环式模型箱，进行了单一均匀土和成层土场地在地震作用下的振动模拟计算，对离心机振动台试验 中存在的模型箱效应进行了数值模拟研究，并结合试验结果对叠环式模型箱边界效应的影响进行了分析． 1离心机振动台试验叠环式模型箱 为了能模拟沿地震方向无限延伸的地层，必须尽量减少模型箱边界的影响．理想模型箱应该具备4 个条件[8I．1)振动过程中，不影响剪切波或剪切应力的传递，尽量使水平剪切刚度为零，对土的变形无影 响；2)振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变；3)模型箱侧壁应具有足够的刚度；4)尽量减少模型 箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力． 叠环式模型箱(也称为层状剪切模型箱)由多层矩形平面刚性框架由下至上叠和，每两层框架之间通 过导轨或者放置轴承(或橡胶块)制成的柔性容器．自20世纪80年代起，叠环式模型箱开始在动力离心 模型试验中得到应用，并被不断地发展和完善【9】． crll×20cm×30 cm 清华大学研制的叠环式模型箱如图1所示，长×宽×高=50 cm，由15片高度为2 的质量较轻的矩形截面空心铝方管通过摩擦力很小的导轨连接而成，叠环之间可以在水平振动方向自由 滑动．模型箱内有0．8mlTl厚的整体乳胶膜，用以防止土体从模型箱的叠环之间漏出．乳胶膜内部设置4 收犒日期：2007．08—28． 作者简介：刘晶波(1956一)，男，辽宁新宾人．教授．博士生导师． 万方数据 932 北京工业大学学报 个标尺，用于制样过程中控制填土厚度． 在进行水平单向振动时，模型箱侧壁分为与 振动方向平行的2个边壁和垂直于振动方向的2 个边壁．已有的研究表明[1 0J，在进行单向水平激 振的振动台试验时，土体在平行于振动方向的边 壁上(即50cm长边壁)竖向更接近于自由运动 状态，因此在进行离心机振动台试验时，在平行 于振动方向的2个边壁上，在乳胶膜的内部均匀