[发明专利]一种基于土工离心机施加竖向荷载的加载系统

说明书

技术领域

本发明属于土工试验设备，尤其是涉及一种基于土工离心机施加竖向荷载的加载系统。主要应用于土工离心试验环境，模拟建筑物(构筑物)的作用荷载，从而真实的再现原型土体与结构物的相互作用关系，为进一步研究土体和建筑物(构筑物)的变形及破坏机理提供重要的技术支撑。

背景技术

土工离心模型试验是将1/n比尺的模型置于特制的离心机中，在ng离心加速度的空间进行试验。由于惯性力与重力的绝对等效性，且离心加速度不会改变地基材料的性质，这样在保证与原型几何相似的前提下，也可保持它们的力学特征相似。因此，离心模型试验是解决工程问题的有效手段。在离心模型试验中往往要对模型施加荷载，可施加荷载的大小、精度、灵活性将直接影响试验结果的好坏。

土工离心模型试验具有高转速、高应力场等特点，在高速转动的离心环境下难以对模型施加荷载。现有的加载方式主要为千斤顶加载和加载块加载。千斤顶固定在反力架上，荷载施加范围大，可控性高；但其自重大，对反力架的固定要求、材料强度、结构稳定性等要求高，在离心模型试验中，离心机要负担模型箱、加载装置和模型的重量，其负担的总重是有限的，加载装置的重量越大，使得允许的模型重量受到的限制越大；且试验过程中控制加载困难，分级施加荷载需停机实现，因而千斤顶加载在土工离心模型试验中应用十分有限。加载块加载是在模型上放置质量为m的重块，通过重块自身的重力(G＝ma)模拟施加的竖向荷载，在离心模型试验中，利用离心机产生的可动态控制大小的加速度场，即改变离心加速度a的大小，可实现不停机分级加载。但加载块加载的荷载施加范围有限，易受加载块密度、模型箱尺寸条件限制，因而局限于模拟荷载不大的试验环境；且通过动态控制加速度大小来实现分级加载时，地基土体中的自重应力场也随之改变，难以再现原型土体的应力环境，大大增加了问题研究的难度，因而，通过加载块加载模拟地基土的上覆荷载，其合理性值得商榷。

此外，针对上述加载方式存在的不足，日本独立行政法人产业安全研究所研制的加载装置。该加载装置采用蜗轮蜗杆机构，其结构设计简单。但该机构蜗轮磨损严重，减速机发热和漏油现象普遍存在；且该系统以单片机作为控制器，其抗干扰能力相对较差，系统需要自己设计电源，因而系统运行的可靠性难以保证。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种土工离心机施加竖向荷载的加载系统，使之克服现有技术的以上缺点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于土工离心机施加竖向荷载的加载系统，由立于模型箱侧板上的承载支架、置于承载支架上的加载机构和控制加载机构的控制器组成，对土工离心机模型箱内处于离心状态下的模型施加竖向荷载，其特征在于，承载支架具有水平梁2和立于其上的支架1；步进电机11架设在支架1顶部，步进电机11的输出轴逐次与竖向布置的减速机10、联轴器9、丝杆13、套置在丝杆上的螺母底座5构成动力传送链；丝杆13的一端与联轴器联接，其另一端通过止推轴承17联接在水平梁2上；丝杆螺母6固定螺母底座5上，与固定螺母底座5上的两条推力杆构成整体；水平梁2上具有通过推力杆的通孔，丝杆螺母6的直线运动通过丝杆螺母底座5和推力杆15，驱动推力座15对模型加载和减载。

所述推力座15上设置有压力传感器16。

减速机与步进电机直接连接，固定于支架顶板下方，支架采用焊接方式，最终和加劲肋板焊接成一个整体，通过螺栓固定在水平梁上，水平梁通过螺栓固定于模型箱两边的侧板上。

本发明加载系统是用丝杆作为机构，步进电机提供动力，运用西门子Smart200作为控制器，实现对离心环境下模型的自动化加载。该系统与现有技术相比具有的有益效果如下：

(1)设备结构简单、轻便，设计新颖合理，易于安装拆卸，可通过专业加工，实现与模型箱的配套使用。

(2)由控制器发出指令，由电机提供动力，通过控制丝杆的推出距离可精确控制出力的大小，该种加载方式简单灵活，出力量程大、精度高。

(3)在试验过程中可实时监测、读取、存储数据，数据读取、存取方便有效。

系统可以达到以下技术指标：

(1)压力范围：0～5T；

(2)位移变化范围：±0～10cm；

本发明加载系统可有效的克服现有加载技术存在的缺陷，为土工离心模型试验提供一种更加科学的加载方式，从而真实的再现原型土体与结构物的相互作用关系，为进一步研究土体和建筑物(构筑物)的变形及破坏机理提供重要的技术支撑。

附图说明：