一种用于振动台模型箱的三向运动解耦周期结构

摘要

本发明提供一种用于振动台模型箱的三向运动解耦周期结构，所述周期结构由n个周期结构单元依次叠合而成，所述周期结构单元由第一侧限层、平面解耦层、第二侧限层、弹性层依次叠合而成，n≥2的正整数，所述第一侧限层、弹性层、第二侧限层、平面解耦层的截面形状相同，所述周期结构用于实现地震动工况下的三向运动解耦；本发明还提供用于振动台试验的三向运动解耦模型箱，由周期结构、模型箱底板、限位保护门式框架组合而成，所述的模型箱轻质高强，适用于超重力和常重力振动台试验，并通过多重措施保证模型箱与试验土体运动的同步、模型箱与试验土体在X、Y、Z三个方向的运动互不干扰、模型箱不对试验土体产生额外的作用力、尽量规避边界效应，能够很好的实现三向运动解耦，还原原型场地特征。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其是涉及一种用于振动台模型箱的三向运动解耦周期结构，包含所述周期结构的三向运动解耦振动台模型箱及其用途，所述的振动台的三向运动解耦模型箱，尤其涉及一种适用于超重力离心机振动台的三向运动解耦模型箱。

背景技术

在土木工程领域，人们通常采用观测和预测手段来认识土木工程对象的行为，判断它的服役性能和安全性，并做出相应的对策。观测，主要是原型观测，它是通过在竣工后的工程结构物中埋设测量元件，直接获取工程结构工作性状的信息，这种研究是一种事后研究，不能事先对工程结构的设计进行指导。预测分为两种，一种手段是数值分析，另一种手段就是物理模拟(physical modelling)技术，它可以根据相似律和原型工况(例如，真实的建筑物情况)来合理地设定和控制模型边界条件，模拟假想的设计荷载受力条件，从而预测或再现多种因素组合情况下的工程结构的力学响应和工作性状，甚至模拟其破坏的全过程，物理模拟所得的信息具有超前性，能够充分地为设计提供技术依据或信息，也可以用来验证数值分析的成果。

目前常用的土工物理模拟的方法主要有：1g小比例尺模型试验、1g大比例尺模型试验、校准筒试验、1g振动台试验、超重力离心机振动台试验等，其中，1g代表常重力。

建筑物的抗震性能模拟是非常重要的一种土工物理模拟试验。一般来说，对人类生活破坏比较大的地震都是浅源地震，浅源地震的深度小于60km，常见浅源地震深度为5～20km。为减少震害、研究建构筑物的抗震性能，通常会采用振动台来进行振动台试验，也就是将缩小尺寸的建构筑物模型放置在振动台上，然后输入需要模拟的地震波，观测地震工况下建构筑物的地震响应，从而就能反推真实建构筑物的抗震性能。振动台试验分为常重力和超重力两种，也就是分为1g振动台试验和超重力离心机振动台试验。

1g振动台试验主要用于模拟地震作用下结构物的响应，这种模拟方法较其他模拟方法有一定的优势，而且尺寸和容量也越来越大。所具备的优势是：能用于地面运动的模拟；地震频率的比尺不一定是必要的；自由度最大为6；可以模拟土与结构相互作用。缺陷是：较多地注意了面积而不是深度；地表应力不正确；边界有波的发射；现场附近的地震不能很好地模拟。常重力振动台通常是大型振动台(振动台台面尺寸比较大)，不使用离心机。

超重力离心机试验是通过离心机进行的一种模拟试验，将缩小尺寸的土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物的自重损失。离心试验模型以恒定的角速度ω绕轴转动，所提供的离心加速度等于rω²(r为模型中任意一点距转动中心的距离)。如果模型采用与原型场地(真实场地)相同的土体，那么当离心加速度为N倍的重力加速度时(Ng＝rω²)，那么模型深度h_m处土体将与原型h_p＝Nh_m处的土体具有基本相同的竖向应力：σ_m＝σ_p。这就是超重力离心模拟最基本的相似比原理，即尺寸缩小N倍的土工模型承受N倍重力加速度时，试验土体的应力与原型土体的应力一致，也就是产生了缩尺效应。例如，当N＝10，也就是加速度为10g时，模型中土体深度为1米处的应力水平与原型场地(真实场地)中10米处的应力水平相近；当N＝100，也就是加速度为100g时，模型中土体深度为1米处的应力水平与原型场地(真实场地)中100米处的应力水平相近。也就是，利用离心加速度的倍数(N)来实现缩尺。超重力离心试验所具备的优点是：可正确模拟岩土体应力随深度的变化；可实现土的选择、应力历史的设计、可控的加载系统；费用和时间相对较省；可观测变形和破坏机理。

超重力离心机振动台试验是在超重力离心机上放置振动台，缩小尺寸的建构筑物模型放置在模型箱内，模型箱放置在振动台上。利用以上所述超重力离心试验的原理，当离心加速度达到需要的Ng(N为离心加速度的倍数，N≥1)时，向振动台输入需要模拟的地震波，此时就可以获得建构筑物在相应地震情况下的响应，即能获知建构筑物的抗震性能。超重力离心机振动台通常是小型振动台(振动台台面尺寸比较小)，使用离心机。

由于常见的工程场地深度都在几十到上百米，采用振动台试验模拟地震动对场地和建筑物的影响，最理想的试验为足尺试验，也就是，将深度为几十至上百米米的试验土样放置在振动台上，施加三向(X、Y、Z方向)地震波，才能真实反映地震对原型场地的影响。但受到实际振动台施振能力和尺寸的限制，该足尺试验是无法实施的。如果采用常重力振动台试验，模型箱的尺寸在高度方向上通常为2～3米，也就是通过深度为2～3米的缩尺模型来模拟原型场地。如果用该缩尺模型来模拟一定深度的工程场地，当用模型箱试验土样的高度来模拟原型一定的深度，故尺寸放大倍数n等于原型深度/模型箱试验土样的高度(例如，利用1m深的试验土样模拟地下100m深度的原型场地，倍数＝100/1＝100)，根据常重力振动台相似比理论(量纲分析法)，可以得到原型场地的场地响应与模型试验地震响应的关系：加速度放大倍数为1，位移放大倍数为n、速度放大倍数为n^1/2，例如，当n＝100，试验测得的加速度可以直接用作原型场地、试验测得的位移需要放大100倍才能用于原型场地、试验测得的速度需要放大10倍才能用于原型场地。因此，该方法将导致的土体的地震动响应严重失真、应力应变关系不准确，无法真实模拟原型场地的力学性质。因此，只能采用超重力振动台模拟试验，通过离心力恢复原型重力场，重现原型土体的应力应变关系，例如，当离心加速度Ng＝100g时，可利用1m深的缩尺模型模拟深度100m的原型场地。

模型箱是振动台试验中必不可少的专用试验装置，其结构及形状、尺寸往往根据实际试验不同需求情况而确定。模型箱可以分为刚性模型箱和柔性模型箱，刚性模型箱主要用来进行静态试验，柔性模型箱(又称剪切箱、剪切模型箱)主要用于地震模拟。目前在振动台模型试验中使用的模型箱按照使用条件可以分为常重力(1g)振动台模型箱和超重力振动台模型箱，常重力振动台模型箱通常由大型、材质较重、硬度较大的材料(例如，钢材)制成，超重力振动台模型箱通常由轻质、高强材料(例如，铝合金)制成。常重力振动台模型箱无法用于超重力振动台模型试验，但超重力振动台模型箱可以用于常重力振动台模型试验。

在实际情况下，地基土体可视为半无限空间场地，但在振动台模型试验中，只能用有限尺寸的模型箱装载试验土体进行振动台试验，需要利用模型箱中的土体应力来模拟真实场地土体的应力，因此，用于振动台的模型箱必须要满足四点最基本的要求：①振动过程中，不影响剪切波速或剪切应力的传递，尽量使水平剪切刚度为零，对土体的变形无影响；②振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变；③模型箱的侧壁应具备足够的刚度；④尽量减少模型箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力。现阶段，已经有大量的科研人员将振动台模型箱应用到1g振动台试验或离心机振动台试验中。在现实中，地震对土体的作用是三维(X、Y、Z方向)的，振动台试验中输入的模拟地震波也应该是三维的，才能真实模拟原型工况(原型场地上作用的真实的地震力)。理论上，需要实现模型箱土体的三维振动，才能准确模拟地震作用下原型场地(真实场地)的响应。在模型试验中，振动台将地震动施加到松散土体上是得不到原型场地的地震动响应的，因此，需要有装载土体的装置(模型箱)不让土体呈现松散状况。振动台施加的竖向作用力是通过底部土层向上的压力传上去的，水平作用力是底部土层通过水平剪应力传给上部土层的，这些作用力都不是通过模型箱传递上去的。因而，模型箱主要是侧限用的(侧限是指把无限半空间分割出一个小块体，但不能失去无限半空间的侧限力学要求；而且模型箱套在模型土体外面，虽然侧限条件满足了，但施加动力荷载的时候，又不能干扰模型土体的运动)，所以模型箱不能对试验土体的运动产生任何约束，因而，理论上还需要模型箱实现三向(X、Y、Z方向)运动解耦，也就是保证模型箱与土体的运动协同性，所述的运动协同性是指模型箱与试验土体运动的同步、模型箱与试验土体在X、Y、Z三个方向的运动互不干扰、模型箱不对试验土体产生额外的作用力、尽量规避边界效应，这四个方面的因素只要有一个未满足必然会导致运动的不协同。

所述模型箱与试验土体运动的同步是指在振动过程中试验土体能够随模型箱体在X、Y、Z三个方向一起运动，试验土体与模型箱体在X、Y、Z三个方向没有相对运动，具有同步性；所述X、Y、Z三个方向的运动互不干扰是指在振动过程中，模型箱任一一个方向的变形都不会影响其它两个方向的变形。例如，理论上X方向的变形为10mm、Y方向的变形为9mm、Z方向的变形为2mm，在实际振动过程中，X方向的变形为9mm、Y方向的变形为8mm、Z方向的变形为3.2mm，即X、Y方向的变形的能量被Z方向的变形吸收了，从而形成干扰；也有可能是理论上X方向的变形为10mm、Y方向的变形为9mm、Z方向的变形为2mm，在实际振动过程中，X方向的变形为11mm、Y方向的变形为10mm、Z方向的变形为1.8mm，即Z方向的变形的能量被X、Y方向的变形吸收了；也有可能是理论上X方向的变形为10mm、Y方向的变形为9mm、Z方向的变形为2mm，在实际振动过程中，X方向的变形为12mm、Y方向的变形为8mm、Z方向的变形为1.8mm，即Z方向和Y方向上的变形的能量被X方向的变形吸收了。所述模型箱与试验土体在X、Y、Z三个方向的运动互不干扰是指模型箱在X、Y、Z任一一个方向的变形均不会影响试验土体在X、Y、Z任一一个方向的变形，模型箱在X、Y、Z任一一个方向的变形不会影响其它两个方向的变形。例如，模型箱在X方向的变形既不会影响模型箱在Y、Z方向的变形，也不会影响试验土体在X、Y、Z任一一个方向的变形。

所述模型箱不对试验土体产生额外的作用力是指在土体随模型箱体振动变形的过程中，模型箱体不会限制试验土体的变形。由于试验土体是松散的，放在模型箱这样一个固定形状的空间内，模型箱体就会对土体形成附加作用力，例如，模型箱相邻两层之间会产生摩擦力，阻碍相邻两层的相对运动，进而在某种程度上限制土体的变形，从而会影响试验结果。边界效应是指由于模型箱侧壁摩阻力的影响，必然会引起边界(试验土体与模型箱接触的部分)受力条件或变形条件的改变，这种作用影响到试验结果的准确性，即是否能用离心模型试验来模拟原型工况存在不确定性。虽然在常重力(1g)条件下，很多人通过加大模型尺寸来弱化边界效应，但是在超重力振动台模型试验中，鉴于离心机负载能力(离心加速度乘以配重)有限，通过加大尺寸等措施来弱化边界效应几乎是不可能的。由于边界效应不可避免，超重力离心机振动台试验就是利用缩尺效应来模拟原型工况，因此需要将尽量规避边界效应(使边界效应最小化)，才能使试验结果能够尽量真实模拟原型工况。

针对运动不协同，当前的技术改善方式还很有限，仅考虑一个或两个因素，例如仅考虑降低边界效应的影响，但未考虑影响所述运动协同性的其他三个因素，也就是未从整体角度出发进行综合改善，运动协同性的改善状况成效不够明显。模型试验中，影响运动协同性的四个因素会分别产生相应的误差，各种误差会叠加，超重力场产生的缩尺效应会放大所述的各种误差，离心加速度的倍数(N)越大，误差就会被放大得越大(位移、地震加速度误差与N呈线性；土体固结时间误差与N²呈线性；能量误差与N³呈线性)，因此必须解决模型箱的运动协同性问题，才能真实反应实际工况，为建筑物的结构设计提供真实、客观的依据。在模型箱的实际使用过程中，无论是在常重力还是超重力情况下，模型箱与土体的运动协同性很难实现。如果无法实现模型箱与土体的运动协同性，就会使得模拟结果不真实，相比于实际情况偏大或偏小：①如果土体响应比实际情况偏大，会使得在评估场地条件时偏于过保守，导致设计的经济性降低；②如果土体响应比实际情况偏小，使得评估场地条件过于偏激，造成设计的安全性降低。

在超重力振动台模型试验中，从振动台台面输入三向地震波，如果三个方向(X、Y、Z三个方向)的地震动加速度均为1.0m/s²，如果采用的模型箱为刚性模型箱或三向解耦不好的模型箱，此时边界条件就会很大程度上影响地震波的传递和反射，造成干扰，比如X向传播的地震波会冲击模型箱边壁，反射成Y向和Z向地震波继续传递，造成与Y、Z向地震波的叠加，进而使得Y、Z向地震变大，如X向加速度变成0.8m/s²，Y、Z向加速度变为1.2m/s²，这会使得测试结果严重失真，严重影响场地条件评估。

由于模型箱与试验土体同步性不满足要求、模型箱与试验土体三个方向上的运动相互干扰、模型箱对试验土体产生额外的作用力以及边界效应，会对试验结果产生比较大的影响，使得试验结果与原型工况的偏差较大，无法指导实际应用，所以有必要对模型箱进行三向运动解耦，最大程度地还原原型场地的真实特征。

现有技术的三向运动解耦仅是针对常重力振动台实现的，其目的是实现振动台在X、Y、Z三个方向运动的分离，从而使振动台提供的力在X、Y、Z三个方向是独立的。其实现原理是通过机械原理进行三向运动解耦，即通过机械联动装置或液压装置来实现。例如，专利CN 202793722U涉及平面静压式传振解耦装置及三轴向振动复合试验台，平面静压式传振解耦装置由滑动块与滑动座滑动连接构成，在滑动面中设有滑动间隙，工作时通过注油通道向滑动间隙中注入高压油形成静压油膜，由于静压油膜在高压条件下具有很好的刚性，也不妨碍滑动块与滑动座之间的滑动。当同轴振动发生器发出高频振动和推力时，通过垂直静压油膜的方向来传递振动频率和推力，当异轴振动发生器发出高频振动和推力时，通过滑动块与滑动座之间的滑动来实现解耦，从而最大限度实现了无损传递与有效解耦组合的目标。

现有技术未见针对振动台模型箱(内含试验土体)进行三向运动解耦的技术，更未见针对超重力振动台模型箱(内含试验土体)进行三向运动解耦的技术。在振动台模型试验中，针对运动不协同的问题，现有技术改善方式还很有限，仅考虑一个或两个因素，例如仅考虑降低边界效应的影响，但未考虑影响所述运动协同性的其他三个因素，也就是未从整体角度出发进行综合改善，运动协同性的改善状况成效不够明显。专利CN102323138、专利CN102494957A、专利CN202362464U中为使得箱体与土体协同变形，均采用滚轴(如图7所示)或滚柱方式，但滚轴或滚柱的运动是受限制的，其只能进行单向运动，即不能在水平面内自由运动，故只能用于单向振动台试验。作为改进措施，专利CN105675239A和专利CN204286919U所示的剪切模型箱主要是为了减少滚轴与铝环之间的摩擦力，优化单向振动模型箱的性能，进一步让模型箱能够在单向振动的情况下随土体自由变形，所采用的措施是在条形凹槽或导向滑槽上放置滚珠，所述的滚珠就只能在条形凹槽或导向滑槽内单向自由运动，且由于接触面比较小，摩擦会更小。专利CN204286731U采用的是让滑块在直线导轨上自由运动实现土体与箱体的单向自由振动。专利CN204389133U采用的是哑铃型滑轮在滑道内单向滑动实现土体与箱体的单向自由振动。专利CN204405424U所述的模型箱是使用在大型振动台试验(也就是常重力振动台试验)中的，也是通过滑轮在滑道上滑动实现运动的协调的，也只能模拟单向地震动。专利CN204924601U是通过深沟球轴承来实现剪切箱的水平单向运动。综上，以上技术只能用于单向振动台试验中，不能用于双向振动台试验中或三向振动台试验中。

专利CN103940977A是通过施加预应力的方式来消除边壁效应的影响的，具体实施方式是通过调节钢索的预应力值来实现的，但该方法存在以下问题：施加的预应力会对模型箱的水平刚度产生影响，即在竖向上施加预应力后水平向就很难随着土体的变形而变形，表现为水平向变硬了；施加预应力的结果是使得模型箱竖向刚度与土体的竖向刚度一致，实际中，土体的竖向刚度是变化的，因而该方法在模拟边界时存在较大误差；施加预应力的技术相对比较繁琐，精度也很难控制。

专利CN104865033A所述的三向剪切模型箱能够实现在输入三向地震激励时能在三个方向上自由移动，但仅考虑了减小边界效应的问题，但未考虑影响所述运动协同性的其他三个因素(例如，未考虑竖向刚度对土体变形的影响)，也就是未从整体角度出发进行综合改善，没有考虑三向运动解耦的问题，试验误差较大。此外，该种类型的模型箱只适用于常重力振动台试验，因为只有模型箱的尺寸变大之后忽略竖向刚度的影响才具有一定的应用性，这种所谓的“三向”剪切模型箱实际上只能有条件的应用在双向振动台试验中。

专利CN105738196A针对的是大型振动台的竖向加载多层剪切模型箱，其为一种常重力振动台，所述的剪切模型箱能够实现双向振动(X、Z方向)，无法实现超重力条件下的三向运动解耦。

专利CN201974280U涉及一种用于大型地下结构振动台试验的层叠式双向剪切模型箱装置，其为一种用于常重力(大型)振动台试验的模型箱，所述模型箱各层叠框架的下面均匀安置三个以上的滑柱，该滑柱的端部嵌有滚珠；在所述滑柱对应的下层层叠框架上设置边缘为圆形的滑槽，所述的滚珠在滑槽内作环向运动，各层叠框架通过滑动装置连接,保证了层状结构箱体各层结构运动的独立性和相关性，且适应于单向或双向地震动输入，无法用于三向地震动输入，也无法实现三向运动解耦。

随着地震对人类生产生活的破坏性影响越来越重，有必要研究地震对原型场地建筑物的影响。浅源地震对人类建筑物的破坏力是最大的，其深度一般都在5km以上，所以常重力的振动台和剪切箱都无法用于模拟原型场地受地震破坏的情况，因此只能使用超重力离心机振动台来模拟原型场地。在模型试验中，普遍认为土体响应的准确性是进行设计和评估土体结构体系的重要因素，由于真实的地震动为三向(X、Y、Z三个方向)，需要通过输入三向地震动来模拟真实工况，但目前所采用的双向振动或单向振动无法模拟真实工况。因此，为了实现模拟试验的准确性，必须对超重力离心机振动台的模型箱进行三向运动解耦。但现有技术还无法实现。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于振动台模型箱的三向运动解耦周期结构，包含所述周期结构的三向运动解耦振动台模型箱及其用途。本发明提供的周期结构可用于实现常重力或者超重力振动台模型箱的三向运动解耦，尤其适用于实现超重力振动台模型箱的三向运动解耦。

本发明采用如下的技术方案：

一种用于振动台模型箱的三向运动解耦周期结构，其特征在于：所述的周期结构由n个周期结构单元依次叠合而成，所述的周期结构单元由第一侧限层、平面解耦层、第二侧限层、弹性层依次叠合而成，n为大于或等于2的正整数，所述第一侧限层、弹性层、第二侧限层、平面解耦层的截面形状相同，所述第一限位层和第二限位层的材料可相同或不同，所述的周期结构用于实现地震动工况下的三向运动解耦；其中：

所述平面解耦层包含多个对称分布的解耦构件，所述的解耦构件包含解耦元件、润滑油脂和圆形凹槽，所述圆形凹槽用于实现所述解耦构件的自由运动并对所述解耦构件的最大水平位移进行限制，所述的解耦元件和润滑油脂用于实现模型箱与试验土体水平向运动的同步，所述的解耦构件用于实现周期结构单元水平向运动的相互不干扰，所述的多个对称分布的解耦构件用于实现水平向的振动解耦并且保证所述周期结构单元的层间剪应变具有一致性；

任意一个物体的运动都可以分解为三个方向上的运动，即水平向(X、Y方向)上的运动和竖向(Z向)上的运动；任意一个物体的位移都可以通过该三个方向上的运动进行矢量叠加组合而成。水平解耦的关键是让模型箱能够在水平面上随着试验土体自由运动，即在水平向的剪切强度要很低，最理想的状况是剪切强度为零。因此，发明人设置平面解耦层作为第一侧限层和第二侧限层之间的连接构件，平面解耦层与两个限位层之间为滚动摩擦，结合平面解耦层所包含的润滑油脂，使得水平向的剪切强度近似为零，模型箱不对试验土体产生额外的作用力。所述的润滑油脂可以是硅油。

平面解耦层中，解耦元件在水平向的位移限制可以通过分别在第一限位层和第二限位层上设置多个对称分布的圆形凹槽来实现，然后将解耦元件放在所述圆形凹槽的中间，每个圆形凹槽中的解耦元件的数量可以是一个或多个，优选的数量为3个。所述圆形凹槽的数量至少为3个，优选的数量为12个。通过这种方式不但能够实现水平向的振动解耦，具有较大的平稳性，而且对侧限层在水平向的位移进行了一定的限制，具有一定的安全性。优选的，所述解耦元件的形状为圆形；更优选的，所述解耦元件为滚珠；更进一步地，所述的解耦元件为钢珠或不锈钢珠。所述圆形凹槽和解耦元件的尺寸可以根据最大剪切变形确定：γ_max＝(R-r)/ΔH，其中，R为圆形凹槽的半径，r为解耦元件的半径，ΔH为两个相邻周期结构的弹性层中心之间的距离，γ_max为试验土体在该周期结构处的最大剪切变形。

所述的弹性层用于改变模型箱的竖向刚度，实现模型箱与试验土体竖向运动的同步；

所述的平面解耦层和弹性层协同作用实现模型箱与试验土体竖向和水平向运动的解耦；

所述各周期结构单元平面解耦层的解耦构件可相同或不同；

进一步地，所述侧限层材料的密度≤7.85g/cm³，弹性模量≥40KN/mm²；优选的，所述侧限层的材料为铝合金。

进一步地，所述的侧限层为金属环，优选的，所述的金属环为铝合金环。

所述侧限层的材料应具备轻质高强的性能，即一方面为试验土体提供支撑边界，另一方面能降低模型箱因试验土体的土压力产生的变形以及模型箱振动惯性项的影响，避免模型箱的振动影响试验土体的响应。因此，所述侧限层材料的密度≤7.85g/cm³，弹性模量≥40KN/mm²。

理想状况下，要让侧限层承受土体产生的轴向力，减少所承受弯矩值，目的是减少侧限层因弯曲变形对试验土体产生的扰动。因此，所述侧限层的形状是圆形或是正多边形；优选的，所述正多边形的边数≥2m，m为正整数，m≥4；更优选的，所述正多边形的边数＝12。

进一步地，所述弹性层需要根据试验土体的弹性模量确定选材。弹性层的主要作用为保证模型箱-土体竖向运动的同步性。三向振动台模型箱采用周期结构，其是以“第一侧限层-平面解耦层-第二侧限层-弹性层”为一个周期结构单元，而试验土体(模型地基土)是密度均匀但应力自上而下(刚度也增大)的土体。为了实现试验土体与模型箱体的协同变形，需要满足试验土体和模型箱体竖向应变的一致性，主要通过控制弹性层的竖向弹性模量来实现。实现箱体竖向变形同步的关键为：如图7所示，第一侧限层的弹性模量为E₁，高度为h₁；平面解耦层的弹性模量为E₂，高度为h₂；第二侧限层的弹性模量为E₃，高度为h₃；弹性层的弹性模量为E₄，高度为h₄；土体的压缩模量为E，试验土体上边界与弹性层之间的距离为h，竖向应力沿试验土体深度方向线性增大，竖向应力＝kh，k为线性系数，所述周期结构的应变满足与试验土体应变ε_试验土体相等，并满足以下公式：

根据上面简单的积分运算以及模型箱和试验土体变形相等就可以通过土体压缩模量以及两个侧限层和平面解耦层的弹性模量，反算出弹性层的竖向弹性模量，并根据该弹性模量值去选定特定的弹性层材料。因为水平向解耦是通过平面解耦层实现的，弹性层主要起到控制竖向刚度的作用。因此，弹性层各项异性的参数应当要满足：①弹性层在水平向的剪切模量越小越好，最理想的状况是弹性层的剪切模量为0，即不对试验土体的剪切变形构成约束；②弹性层在数值方向上的弹性模量应当保证试验土体与模型箱协同变形，具体参数可以通过以上所述的三个公式推导出来。

进一步地，所述弹性层的材料为橡胶。

进一步地，所述解耦元件材料的弹性模量≥160KN/mm²；优选的，所述解耦元件的材料为钢或不锈钢。

进一步地，所述解耦元件为钢珠或不锈钢珠。

进一步地，所述周期结构的截面形状为圆形或正多边形；优选的，所述正多边形的边数≥2m，m为正整数，m≥4；更优选的，所述正多边形的边数＝12。所述第一侧限层、弹性层、第二侧限层、平面解耦层的截面形状相同，其与所述周期结构的截面形状相同。所述的截面形状是指所述振动台模型箱俯视平面图的截面形状。

进一步地，所述的周期结构单元还进一步包含至少2个限制装置，所述限位装置用于实现所述平面解耦层在竖向的限位保护，防止第二侧限层和第一侧限层竖向相对位移过大而脱离。

进一步地，所述的限位装置为有富余长度的薄钢片。第一侧限层和第二侧限层在试验过程中不应当相互脱离，可以在两个限位层上固定薄钢片(例如，通过螺栓固定)，薄钢片具有一定的富余长度，使得当第一限位层和第二限位层在竖向上刚要分离、解耦元件刚要从圆形凹槽中冒出来的时候，薄钢片拉直，避免解耦元件脱离滚圆形凹槽。薄钢片富余长度l可以通过下式确定：

l＝max{(R-r)，(Δh′-Δh)}

其中，Δh′为第一限位层上圆形凹槽的上表面和第二限位层上圆形凹槽的下表面之间的距离，Δh为第一限位层和第二限位层之间缝隙的距离，R为圆形凹槽的半径，r为解耦元件的半径。为了更安全，可以将所述薄钢片富余长度l乘以一定的安全系数，进行实际应用的富余长度。将富余长度加上固定薄钢片的点之间的距离便得到薄钢片的长度。薄钢片的数量可以相对少一点，如沿正多边形间隔布置。

本发明所述的周期结构可用于实现常重力或者超重力振动台模型箱的三向运动解耦；优选的，本发明所述的周期结构尤其适用于实现超重力振动台模型箱的三向运动解耦。本领域技术人员所知，常重力振动台模型箱通常由大型、材质较重、硬度较大的材料(例如，钢材)制成，超重力振动台模型箱通常由轻质、高强材料(例如，铝材)制成。常重力振动台模型箱无法用于超重力振动台模型试验，但超重力振动台模型箱可以用于常重力振动台模型试验。

进一步地，所述超重力振动台的超重力离心加速度的倍数N≥20；优选的，N≥50；优选的，N≥100；更优选的，N≥150。

本发明的第二个目的是提供一种三向运动解耦振动台模型箱，所述的模型箱包括底板、辅助解耦构件、限位器、如前所述任意一种形式的周期结构，所述底板固定在振动台上，所述的周期结构固定在底板上，所述的限位器固定在周期结构外围并与底板相连，形成模型箱限位保护；所述的辅助解耦构件用于减少边界条件对试验结果的影响并在大变形的情况下辅助三向解耦；所述的辅助解耦构件位于所述模型箱的内表面，并分别与试验土体和模型箱相接触；所述的模型箱可用于常重力振动台试验和超重力振动台试验的三向运动解耦。

进一步地，所述超重力振动台的超重力离心加速度的倍数N≥20；优选的，N≥50；优选的，N≥100；更优选的，N≥150。

进一步地，所述的辅助解耦构件为双层橡胶模，橡胶膜与橡胶膜之间涂抹润滑油脂。当试验土体应力沿深度不均匀变化、试验土体模量、应变非线性，箱体制造工艺不精确等，会出现箱体和土体运动协同性要求难以满足的情况，如试验土体的水平向变形会冲击模型箱，由于前面所说的各种因素，未能使得水平向运动同步，水平向和竖向运动相互干扰，因此可以通过使用双层橡皮膜来进行补充解耦，使得竖向运动和水平向运动几乎完全不相互干扰，保持运动的同步。橡胶膜与橡胶膜之间涂抹润滑油脂，橡胶膜的另一面分别与模型箱体和试验土体依靠橡胶膜的摩擦力相连接，因此橡胶膜与橡胶膜之间就能实现分离，即水平向就能与竖向进一步分离。因而双层橡胶膜可以作为进一步解除水平变形对竖向变形干扰的补充措施。

所述的润滑油脂可以是硅油。

进一步地，所述模型箱的截面形状为圆形或正多边形，所述正多边形的边数≥2m，m为正整数，m≥4。

进一步地，所述的限位器为门式框架，所述门式框架具有可拆卸性；优选的，所述的门式框架为十字形的门式框架。理想状况下，模型箱会随着试验土体变形而变形，而且这种变形相对较小，但出于安全以及确保模型箱能正常工作，需要设置限位器来确保安全。所述的模型箱采用门式框架限位器，门式框架具有可拆卸性，即在装样阶段可以从模型箱底板上拆除方便装样，可在模型试验前进行固定保护。模型箱体顶部到门式框架的距离Δm的上下限通过下面方式进行确定：

下限：根据一般试验土体的竖向变形范围确定；

上限：通过考虑弹性层及平面解耦层的最大变形量确定，弹性层以材料发生不可逆的破坏变形为限，即弹性材料超越弹性界限，平面解耦层以解耦元件脱离所在的圆形凹槽为限。

本发明的第三个目的是提供如前所述任意一种形式的周期结构在常重力或超重力条件下的用途。

本发明的第四个目的是提供如前所述任意一种结构的三向运动解耦振动台模型箱在常重力或超重力条件下的用途。

本发明具有的有益效果是：

(1)三向运动解耦振动台模型箱可用于三向振动台试验中，常重力振动台试验和超重力振动台试验都可以使用，具体的模型尺寸和参数需要根据相应的试验要求而确定。尤其适用于三向地震动试验的超重力振动台试验，特别适用于离心加速度倍数(N≥100)很大的超重力振动台试验。

(2)通过设置解耦元件并用润滑油脂进行润滑，模型箱可沿水平任意方向自由变形，对试验土体的水平剪切变形几乎没有约束，能够实现模型箱与试验土体运动的同步性，避免了模型箱和试验土体水平方向上运动的相互干扰，减小了压缩波的产生。通过润滑油脂进行润滑，能够进一步减少解耦元件与侧限层之间的滚动摩擦，即能够降低模型箱对试验土体产生的额外作用力。并且，模型箱由轻质高强叠的材料制作而成，侧限层环为空心结构，从而减轻了整个模型箱的质量，能够将模型箱质量对试验土体产生的侧向惯性力降到最低，使得模型箱对试验土体产生的额外作用力几乎为零。通过在相邻两个周期结构之间设置弹性层，可以改变模型箱的竖向刚度，使模型箱与试验土体的竖向刚度保持一致，保证了模型箱与试验土体能够在竖向上保持同步。平面解耦层与弹性层的组合作用就能实现模型箱与试验土体运动的同步，模型箱与试验土体在三个运动方向上的相互不干扰(包括两个水平方向激励引起的模型箱剪切变形与竖向激励引起的模型箱拉伸或压缩变形基本没有相互影响)，模型箱不对试验土体产生额外的作用力，实现三向振动的运动解耦。

(3)高强轻质侧限层具有足够的刚度，箱体不易发生侧向鼓张变形(主要为轴力，弯矩作用很小)，使得试验土体能够满足零侧向变形的条件。

(4)通过在试验土体和模型箱之间设置双层橡胶膜，可进一步解除模型箱水平运动对竖向运动的干扰，避免造成土体内部应力相对于原型的重分布。橡胶膜分别与试验土体和模型箱通过摩擦力接触，通过在双层橡胶膜中间涂抹润滑油脂，可以实现橡胶膜与橡胶膜的自由滑动，橡胶膜与试验土体和模型箱不脱离，因而可以降低模型箱的边界效应。

(5)通过周期结构和双层橡胶膜的组合作用，可以更好地实现振动模型箱的三向运动解耦。

(6)门式框架底部与模型箱底板连接，能够实现自由拆装，并能对模型箱在超重力振动试验中进行限位保护。

(7)针对不同类型的土样，只要改变橡胶层的材料属性，即可满足竖向变形一致性的要求，方便实用；对于不同类型的土样，滚珠层和金属环不需要重新选材，就能重复利用，提高了模型箱的适用性，节省材料。

附图说明

图1是本发明所述三向运动解耦振动台模型箱立体示意图。

图2是本发明所述三向运动解耦振动台模型箱正视图。

图3是本发明所述三向运动解耦振动台模型箱俯视图。

图4是本发明所述周期结构单元的示意图。

图5是本发明所述周期结构单元的尺寸示意图。

图6是本发明所述周期结构单元的平面解耦层的平面示意图。

图7是滚轴的示意图。

图8是本发明所述周期结构的示意图。

图中：1、模型箱底板，2、正十二边形金属环，3、限位保护门式框架，4、双层橡胶膜，5、滚珠，6、圆形凹槽，7、润滑油脂，8、薄钢片，9、螺栓，10、橡胶层，11、试验土体。

图中的各个参数的含义为：Δh为相邻周期结构的正十二边形铝合金环和正十二边形铝合金环之间缝隙的距离，Δh′为同一个周期结构的正十二边形铝合金环圆形凹槽的上表面和正十二边形铝合金环圆形凹槽的下表面之间的距离；R为圆形凹槽的半径，r为解耦元件的半径；l₀为螺栓固定点之间的距离，l₀+l为薄钢片的长度；E₁为第一侧限层的弹性模量，h₁为第一侧限层的高度；E₂为平面解耦层的弹性模量，h₂为平面解耦层的高度；E₃为第二侧限层的弹性模量，h₃为第二侧限层的高度；E₄为弹性层的弹性模量，h₄为弹性层的高度；E为试验土体的压缩模量，h为试验土体上边界与弹性层之间的距离。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供一种用于振动台模型箱的三向运动解耦周期结构，所述的周期结构由n个周期结构单元依次叠合而成，所述的周期结构单元由第一侧限层、平面解耦层、第二侧限层、弹性层依次叠合而成，n为大于或等于2的正整数，所述第一侧限层、弹性层、第二侧限层、平面解耦层的截面形状相同，所述第一限位层和第二限位层的材料可相同或不同，所述的周期结构用于实现地震动工况下的三向运动解耦；其中：

所述平面解耦层包含多个对称分布的解耦构件，所述的解耦构件包含解耦元件、润滑油脂和圆形凹槽，所述圆形凹槽用于实现所述解耦构件的自由运动并对所述解耦构件的最大水平位移进行限制，所述的解耦元件和润滑油脂用于实现模型箱与试验土体水平向运动的同步，所述多个对称分布的解耦构件用于实现水平向的振动解耦并且保证所述周期结构单元的层间剪应变具有一致性；

所述平面解耦层作为第一侧限层和第二侧限层之间的连接构件，所述第一限位层和第二限位层上设置多个对称分布的圆形凹槽；

所述的弹性层用于改变模型箱的竖向刚度，实现模型箱与试验土体竖向运动的同步；

所述的平面解耦层和弹性层协同作用实现模型箱与试验土体竖向和水平向运动的解耦；

所述各周期结构单元平面解耦层的解耦构件可相同或不同。

优选的，所述的侧限层为正十二变形的铝合金环，所述解耦元件为钢制的滚珠，所述弹性层为橡胶层，所述门式框架为限位保护门式框架，以此构成振动台模型试验的三向运动解耦模型箱的基本构件。

用于振动台试验的三向运动解耦模型箱包括：模型箱底板1、正十二边形铝合金环2、限位保护门式框架3、双层橡胶膜4、滚珠5、圆形凹槽6、润滑油脂7、薄钢片8、螺栓9、橡胶层10。模型箱底板1固定在振动台上。周期结构单元为“正十二边形铝合金环2-滚珠5-正十二边形铝合金环2–橡胶10”，所述平面解耦层是由滚珠5、润滑油脂7、圆形凹槽6组成的，由螺栓9连接有富余长度的薄钢片8对周期结构单元进行安全保护，若干个周期结构单元由下到上叠合在模型箱底板1上，构成模型箱主体。通过在各正十二边形铝合金环2之间设置滚珠5可以实现模型箱在水平向的自由变形，滚珠5放置在圆形凹槽6中，并用润滑7进行润滑，圆形凹槽6可以限制模型箱水平向位移；通过在正十二边形铝合金环2中间夹定制橡胶层10，可以改变模型箱的竖向刚度；在相邻的正十二边形铝合金环2上安装有螺栓9，螺栓9下面压着有富余长度的薄钢片8，以此限制竖向位移。平面解耦层与橡胶层的组合作用就能实现模型箱与试验土体运动的同步，模型箱与试验土体在三个运动方向上的相互不干扰(包括两个水平方向激励引起的模型箱剪切变形与竖向激励引起的模型箱拉伸或压缩变形基本没有相互影响)，模型箱不对试验土体产生额外的作用力，实现三向振动的运动解耦。

双层橡胶膜4由两层橡胶膜组成，橡胶膜与橡胶膜之间填充润滑油脂7如硅油，橡胶膜未涂润滑油脂的一面分别与模型箱和试验土体11相接触，以此实现橡胶膜与橡胶膜之间的相对自由变形，降低边界效应的影响，并减少水平向振动对竖向振动的影响。通过周期结构和双层橡胶膜的组合作用，可以更好地实现振动模型箱的三向运动解耦。

模型箱顶部架设十字形的限位保护门式框架，限位保护门式框架3与模型箱底板1相连接，对模型箱的竖向变形进行限位保护。

对于橡胶层材料的选择，可以根据周期结构的应变满足与试验土体应变ε_试验土体相等并通过下面的公式推算橡胶的弹性模量：

其中，第一侧限层的弹性模量为E₁，高度为h₁；平面解耦层的弹性模量为E₂，高度为h₂；第二侧限层的弹性模量为E₃，高度为h₃；弹性层的弹性模量为E₄，高度为h₄；土体的压缩模量为E，试验土体上边界与平面解耦层之间的距离为h，竖向应力沿试验土体深度方向线性增大，竖向应力＝kh，k为线性系数。根据上面简单的积分运算以及模型箱和试验土体变形相等就可以通过土体压缩模量以及两个正十二边形铝合金环和滚珠的弹性模量及相应的高度、橡胶层的高度，就能反算出橡胶层的竖向弹性模量，并根据该弹性模量值去选定特定的橡胶材料。

对于圆形凹槽尺寸，可根据土体在该周期结构处最大的剪应变来确定，γ_max＝(R-r)/ΔH，其中，R为圆形凹槽的半径，r为解耦元件的半径，ΔH为两个相邻周期结构的弹性层中心之间的距离，γ_max为试验土体在该周期结构处的最大剪切变形。γ_max可以根据土体的性质进行初步的估计，然后根据选定的滚珠尺寸就能反算出圆形凹槽的尺寸。

对于薄钢片，富余长度l可以通过下式确定：

l＝max{(R-r)，(Δh′-Δh)}

其中，Δh′为第一限位层上圆形凹槽的上表面和第二限位层上圆形凹槽的下表面之间的距离，Δh为第一限位层和第二限位层之间缝隙的距离，R为圆形凹槽的半径，r为解耦元件的半径。上述各参数值都是已知的数值，因而可以直接得到富余长度。为了更安全，可以将薄钢片富余长度l乘以一定的安全系数，如取安全系数1.1。

模型箱体顶部到门式框架的距离Δm的上下限通过下面方式进行确定：

下限：根据一般试验土体的竖向变形范围确定，根据一般土体在地震工况下的竖向应变范围，并乘以试验土体的高度值就可以得到试验土体的竖向变形；

上限：通过考虑弹性层及平面解耦层的最大变形量确定，弹性层以材料发生不可逆的破坏变形为限，即弹性材料超越弹性界限，平面解耦层以解耦元件脱离所在的圆形凹槽为限。

以下为三个具体的剪切模型箱：

实施例1

剪切模型箱1采用正十二边形叠环周期结构叠合而成，周期结构外围每边长为13.1cm，内接圆半径50cm。各层周期结构由高强轻质铝镁合金制作，模型箱整体高度61cm。三向振动台模型箱共10个周期结构，正十二边形铝镁合金环高25mm/层，相邻周期结构利用10mm厚特制橡胶进行连接，并压制成型，正十二边形铝合金环之间缝隙的宽度为1mm；周期结构的正十二边形铝镁合金环的每条边中心处形成圆形凹槽，共12个圆形凹槽；圆形凹槽内放置钢制滚珠，每个圆形凹槽内放置颗滚珠；层间允许最大位移2.5mm。薄钢片的富余长度为2mm。模型箱顶部架设十字形的门式框架，门式框架底部与模型箱底板连接，形成模型箱限位保护；利用双层橡胶膜作为竖向和水平向解耦的补充措施。

实施例2

剪切模型箱2采用圆形叠环周期结构叠合而成，内接圆半径60cm，外接圆半径62cm。各层周期结构由高强轻质硼铝合金制作，模型箱整体高度51cm。三向振动台模型箱共10个周期结构，正十二边形铝合金环高20mm/层，相邻周期结构利用10mm厚特制橡胶进行连接，并压制成型，圆形硼铝合金环之间缝隙的宽度为1mm；周期结构的圆形硼铝合金环的周边中心处均匀形成圆形凹槽，共16个圆形凹槽；圆形凹槽内放置钢制滚珠，每个圆形凹槽内放置颗滚珠；层间允许最大位移2.5mm。薄钢片的富余长度为2.2mm。模型箱顶部架设十字形的门式框架，门式框架底部与模型箱底板连接，形成模型箱限位保护；利用双层橡胶膜作为竖向和水平向解耦的补充措施。

实施例3

剪切模型箱3采用正八边形叠环周期结构叠合而成，周期结构外围每边长为14.2cm，内接圆半径45cm。各层周期结构由高强度碳纤维填充环氧树脂而成型，模型箱整体高度71cm。三向振动台模型箱共10个周期结构，正八边形高强度碳纤维环高30mm/层，相邻周期结构利用10mm厚特制橡胶进行连接，并压制成型，正八边形高强度碳纤维环之间缝隙的宽度为1mm；周期结构的正八边形高强度碳纤维环的每条边中心处形成圆形凹槽，共8个圆形凹槽；圆形凹槽内放置钢制滚珠，每个圆形凹槽内放置颗滚珠；层间允许最大位移2.5mm。薄钢片的富余长度为1mm。模型箱顶部架设十字形的门式框架，门式框架底部与模型箱底板连接，形成模型箱限位保护；利用双层橡胶膜作为竖向和水平向解耦的补充措施。

利用传感器对模型箱和模型土体的变形进行监测可以反映模型箱与模型土体的运动协同性，即表明三向运动解耦周期结构的解耦特性。具体包括利用激光位移计测量模型土体与模型箱的竖向位移反映竖向运动的协调性，利用三向加速度计测量模型土体中部的加速度与模型土体边界的加速度反映水平双向运动的协同性。如果模型箱不具备良好的解耦特性就会引起同步位移误差很大，加速度误差很大，即三向振动产生了严重的相互干扰。

分别在常重力、20g，50g和100g的超重力环境下检测本发明模型箱的三向运动解耦效果，经实验测定，本发明模型箱与模型土体在超重力三向振动环境下，竖向位移误差能控制在10％以内，模型土体中部与边界土体的三向加速度误差控制在10％以内，在误差允许范围内，达到很好的三向解耦效果。在常重力环境下更加具有良好的解耦特性，其位移误差和三向加速度误差能控制在5％以内。