一种外置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱技术领域
本发明涉及一种外置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，属于岩土工程振动试
验领域。
背景技术
模型箱作为振动台试验中的盛土容器和振动传递装置，对岩土体或埋置结构在模
拟地震输入下的动力响应测试至关重要。由于模型箱侧壁对地层人为施加边界，地震传播
时侧壁将产生波动反射，同时模型箱的存在一定程度上影响了天然半无限土域或土-结构
体系的振动形态，给试验结果带来了一定的误差，即所谓“模型箱效应”。目前，在常用的模
型箱类型中，层叠剪切模型箱在消除边界反射和摩擦效应、模拟土体剪切变形特征、避免
箱-土体系共振以及限制土体侧向膨胀等方面具有良好的性能，相比于刚性和圆筒形柔性
模型箱，被广泛应用于振动台试验。
为了更真实地模拟地震作用下岩土体实际受力和变形机制，近年来国内外开始倾
向于大比例尺寸的振动台试验的研究，大尺寸、高容积的模型箱逐渐被采用。随着体积的增
大，以及为保证模型箱在动土压力作用下具有足够的强度和侧向刚度，框架层数及箱体重
量随之增大。这一方面增加了框架层间摩阻力，进而影响箱体的单向自由滑动，使模型箱难
以产生理想的剪切变形形态；另一方面，箱体振动过程中产生较大的惯性力将影响土的动
力特性，削弱土体在振动过程中的控制作用，降低自由场原型地基模拟的相似程度。此外，
为限制模型箱横向侧移及平面扭转变形，通常在箱侧设立立柱和横梁，并与模型箱框架保
持面-面接触，这势必增加两者间的摩阻力，导致沿振动方向的箱体侧壁与土体产生相对位
移而带来滑动摩擦。
发明内容
本发明旨在提供一种外置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，用于振动台试
验，以克服现有大型层叠剪切模型箱框架层间阻力和箱体惯性效应对试验结果的不利影
响。
本发明提供的一种外置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，包括若干个矩形框
架和成对布置的外置电磁减阻装置；所述矩形框架由四根方形钢管焊接而成，各框架之间
设有滑动连接装置，所述矩形框架为等间距平行叠放，若干个矩形框架构成剪切模型箱主
体，箱底设有刚性底板与振动台台面固定；所述外置电磁减阻装置沿振动方向在剪切模型
箱主体两侧对应设置，并随振动台一起振动；该装置包括承载框架、绕线铁芯、外伸板、薄片
磁铁和滚轮装置；所述承载框架由承载板和支撑螺杆组成，承载板上固定有若干绕线铁芯，
每层承载框架所有铁芯串联为一组电路，并连接滑动变阻器和电流表，以便调整和查看电
流大小；承载框架外侧设有磁屏蔽布；所述滚轮装置套箍在靠近模型箱的支撑螺杆上，每层
承载框架设置一对，并与所在框架层保持接触，形成侧向抗扭约束；所述外伸板位于矩形框
架的外侧，其端部位于减阻装置的绕线铁芯上方，在外伸板正对铁芯的下表面粘贴薄片磁
铁；所述薄片磁铁下表面磁极极性与绕线铁芯上工作面磁极磁性相同。
上述方案中，所述承载框架底面通过支座底板与振动台台面用螺栓连接，支座底
板的面积大于承载板的面积；承载板采用矩形钢板制作，四角开有螺孔，支撑螺杆从该螺孔
穿过，将承载板逐层调整至设计高度后，通过螺母将其上下表面与螺杆固定；由于振动过程
中减阻装置与模型箱之间存在相对运动，承载板的尺寸选择应以振动过程中外伸板不与螺
杆碰撞为准。外伸板位于承载板的上方，二者所在面互相平行且不接触。
上述方案中，所述绕线铁芯通过焊接或螺栓连接方式成排固定在承载板的中央，
其个数根据所需输出力的大小计算得出。
上述方案中，所述薄片磁铁的粘贴面正对铁芯上方，且其粘贴面积应保证在振动
过程中铁芯始终置于其下方。
上述方案中，所述磁屏蔽布外套在承载框架除外伸板一侧的其余三个竖直面，以
减少相邻层之间电磁场的相互干扰。
上述方案中，所述滚轮装置由左、右瓣箍、内置螺纹钢管、螺杆和万向轮组成，所述
内置螺纹钢管焊接在瓣箍上，内置螺纹钢管通过内螺纹与螺杆连接，螺杆另一端连接万向
轮，通过调节螺杆在内置螺纹钢管内的长度改变滚轮装置的整体长度。
上述方案中，在模型箱内布置橡胶袋，防止土体和水从层间缝隙中漏出；在箱壁外
侧垂直于振动方向设置柔性铁皮或橡胶材质的侧限板，侧限板和模型箱通过螺栓连接。
上述方案中，除底层框架外，在每层框架与振动方向平行的底部各设置3～5组滑
动连接装置，以形成可以自由滑动的支撑点；所述滑动连接装置由设有V型凹槽的滑槽板上
下叠合组成，3～5组滚珠嵌在V型凹槽内，使相邻框架层发生相对自由滑动。
上述方案中，所述支撑螺杆设有8～12根，支撑螺杆与每层承载框架的承载板通过
螺栓固定连接。为增大承载框架的稳定性，螺杆数量可依实际情况增加。
上述方案中，当外伸板长度较长时，在外伸板的根部设置斜向的支撑筋板以减小
自由端的挠度变形。
本发明的有益效果：
(1)通过电磁减阻装置将模型箱部分自重转由振动台承担，降低了箱体惯性效应
和层间阻力对模型地基土动力响应的影响，保证了土体在振动过程中起控制作用，从而最
大限度模拟半无限土域的剪切变形特征，提高了试验模拟的相似程度；
(2)减阻装置采用外置式，安装方便，可重复利用；且层数及层间距可根据模型箱
具体情况灵活调整；减阻装置外套磁屏蔽布，并采用导磁性良好的钢板作为承载框架平台，
可减小层间电磁场的相互干扰；
(3)通过设置滚轮装置，在不增加模型箱框架摩阻力的情况下，将有效提高箱体结
构的侧向刚度，限制层叠框架发生平面内的扭转变形。
附图说明
图1为本发明大型层叠剪切模型箱的结构示意图；
图2为图1中外置减阻装置的放大结构示意图；
图3为本发明大型层叠剪切模型箱的布局图(图1俯视方向)。
图4为图2中滚轮装置的放大结构示意图；
图5为图4的俯视图；
图中：1-刚性底板，2-矩形框架，3-电磁减阻装置，4-支撑螺杆，5-螺母，6-承载板，
7-绕线铁芯，8-漆包线，9-外伸板，10-滚轮装置，11-薄片磁铁，12-电源，13-滑动变阻器，
14-电流表，15-内置螺纹钢管，16-螺杆，17-万向轮，18-瓣箍，19-滑动连接装置。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1～5所示，一种外置电磁减阻装置的大型层叠剪切模型箱，包括若干个矩形
框架2和成对布置的外置电磁减阻装置3；所述矩形框架2由四根方形钢管焊接而成，各框架
之间设有滑动连接装置19，所述矩形框架2为等间距平行叠放，若干个矩形框架2构成剪切
模型箱主体，箱底设有刚性底板1与振动台台面固定；所述外置电磁减阻装置3沿振动方向
在剪切模型箱主体两侧对应设置，并随振动台一起振动；该装置包括承载框架、绕线铁芯、
外伸板、薄片磁铁和滚轮装置；所述承载框架由承载板6和支撑螺杆4组成，承载板6上固定
有若干绕线铁芯7，铁芯上绕有漆包线8，每层承载框架所有铁芯串联为一组电路，并连接电
源12、滑动变阻器13和电流表14，以便调整和查看电流大小；承载框架外侧设有磁屏蔽布；
所述滚轮装置10套箍在靠近模型箱的支撑螺杆4上，每层承载框架设置一对，并与所在框架
层保持接触，形成侧向抗扭约束；所述外伸板9固定于矩形框架2的外侧，其端部无接触地位
于减阻装置的绕线铁芯7上方，在外伸板9正对铁芯的下表面粘贴薄片磁铁11；所述薄片磁
铁11下表面磁极极性与绕线铁芯7上工作面磁极磁性相同。
上述方案中，所述承载框架底面通过支座底板与振动台台面用螺栓连接，支座底
板的面积大于承载板；承载板6采用矩形钢板制作，四角开有螺孔，支撑螺杆4从该螺孔穿
过，通过螺栓5固定在承载板6上；将承载板逐层调整至设计高度后，通过螺母将其上下表面
与螺杆固定；由于振动过程中减阻装置与模型箱之间存在相对运动，承载板的尺寸选择应
以振动过程中外伸板不与螺杆碰撞为准。外伸板位于承载板的上方，二者所在面互相平行
且不接触。
上述方案中，所述绕线铁芯7通过焊接或螺栓连接方式成排固定在承载板6的中心
轴线上，其个数根据所需输出力的大小计算得出。
上述方案中，所述薄片磁铁11的粘贴面正对铁芯上方，且其粘贴面积应保证在振
动过程中铁芯始终置于其下方。
上述方案中，所述磁屏蔽布外套在承载框架除外伸板一侧的其余三个竖直面，以
减少相邻层之间电磁场的相互干扰。
上述方案中，所述滚轮装置10由左、右瓣箍18、内置螺纹钢管15、螺杆16和万向轮
17组成，所述内置螺纹钢管15焊接在瓣箍18上，内置螺纹钢管15通过内螺纹与螺杆16连接，
螺杆16另一端连接万向轮17，通过调节螺杆16在内置螺纹钢管15内的长度改变滚轮装置的
整体长度。
上述方案中，在模型箱内布置橡胶袋，防止土体和水从层间缝隙中漏出；在箱壁外
侧垂直于振动方向设置柔性铁皮或橡胶材质的侧限板，侧限板和模型箱通过螺栓连接。
上述方案中，除底层框架外，在每层框架与振动方向平行的底部各设置3～5组滑
动连接装置19，以形成可以自由滑动的支撑点；所述滑动连接装置由设有V型凹槽的滑槽板
上下叠合组成，3～5组滚珠嵌在V型凹槽内，使相邻框架层发生相对自由滑动。
上述方案中，所述支撑螺杆4在每一侧设有四根，共设置了八根，支撑螺杆4与每层
承载框架通过承载板6固定连接。为增大承载框架的稳定性，螺杆数量不局限于四根，可在
其外侧增设1～2根螺杆。
上述方案中，当外伸板9长度较长时，在外伸板的根部设置斜向的支撑筋板以减小
自由端的挠度变形。
本实施例中，矩形框架2采用断面尺寸为100mm×100mm×3mm(高×宽×厚)的方形
钢管焊接成矩形中空闭合框架，总高约1.8m，闭合框架内部尺寸为3.0m×1.8m(长×宽)；
承载板6尺寸为100cm×30cm×2mm(长×宽×厚)，支撑螺杆4直径为20mm，螺母5规
格为M10；
外伸板9尺寸为60cm×30cm×3mm(长×宽×厚)，薄片磁铁11尺寸为60cm×30cm×
2mm(长×宽×厚)；
内置螺纹钢管15内径和螺杆16外径均为10mm，万向轮滚轮直径为20mm。
电磁吸力可近似采用以下公式计算：
式中，μ0为空气磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；A为绕线铁芯7截面面积；z为外伸板9到
绕线铁芯7磁极表面的瞬时气隙；N为电磁铁线圈匝数，由下式确定
式中，a为铁芯7直径；b为缠绕漆包线8后铁芯7的直径；d为漆包线8的直径；L1为铁
芯7的高度。
本实施例中，绕线铁芯7直径a为40mm、高度L1为90mm，漆包线8直径d为1mm，缠绕漆
包线后的绕线铁芯7直径b为80mm，瞬时气隙z取9mm，电流选用1.2A。通电后，绕线铁芯7对薄
片磁铁11产生向上的电磁斥力。经计算，每个绕线铁芯7能提供约70N的吸力，即每个绕线铁
芯7对所在框架产生约70N的升力，每层框架6个铁芯共产生约420N的总升力，两组外置减阻
装置3大约减轻了59％的所在框架层自重。
为防止电磁斥力作用下外伸板9的变形超过与上部承载板6的间距，需对其变形进
行验算。根据悬臂梁理论，外伸板9在梁端电磁集中力F＝420N的作用下，自由端最大向上位
移为1.3mm，自重荷载15.21N/m作用下的梁端向下位移不足1mm。考虑到绕线铁芯7的气隙高
度为9mm，层高12cm，可知外伸板9与绕线铁芯7和上层承载板6均不会发生接触。
市场上销售的薄片磁铁多具有强磁性，且脆而易碎，粘贴时宜将其沿外伸板9下表
面缓慢推进，不应直接对吸粘贴，以免发生碰撞脆断。
本发明中框架层数不局限于上述15层，铁芯个数和排列方式也可根据实际情况进
行调整，但应保证在振动过程中绕线铁芯7始终处于薄片磁铁11的下方。此外，电磁减阻装
置3的层数和层间距可根据模型箱框架层自重进行选择，可每1～2层布置一层承载板。