一种框架结构跨越地裂缝实验系统及方法技术领域
本发明属于地裂缝实验技术领域，特别涉及一种框架结构跨越地裂缝实验系统及
方法。
背景技术
地裂缝的出现不仅破坏了场地的完整性，也对位于其上的工程建筑产生破坏，目
前规范对地裂缝场地实行空间避让原则。然而西安地区许多建筑物已存在跨地裂缝现象，
城市建设过程中也必然会遇到一些建筑物不得不跨越地裂缝建设的问题，一味的避让地裂
缝场地必然浪费宝贵的土地资源。
同时，地裂缝带内的土体力学性能指标低于周边土体，导致地裂缝场地的动力响
应不规律。地震作用下跨地裂缝的上部结构的变形规律和破坏形式，与普通场地相比有所
不同；下部土体的地裂缝扩展机理，地裂缝上下盘土体的动力响应规律以及对跨地裂缝的
结构的抗震设防措施，这些问题有必要通过振动台模型试验进行系统研究，为以后在活动
性较弱或趋于稳定的地裂缝场地建设一般性建筑物提供依据。因此，进行框架结构跨越地
裂缝实验研究方法具有重要的工程实用价值。然而现有技术中，还没有一套比较完善的框
架结构跨越地裂缝实验系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种框架结构跨越地裂缝实验系统及方法，以解决上述技
术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种框架结构跨越地裂缝实验方法，包括以下步骤：
(1)采用剪切模型土箱模拟地裂缝场地：首先采用木板在土箱中预留地裂缝带位
置，周围土按实际地层土质要求的密实程度和重度进行分层填筑、夯实并分层埋置传感器，
然后取出木板在其位置处填充粉细砂和熟石灰拌合而成的混合物，并按照设计高度来埋置
加速度传感器；
(2)建立上部框架缩尺结构模型，并在模型的每层每个柱点都布置应变片；
(3)将上部框架缩尺结构模型吊装到土箱中；上部框架缩尺结构模型底部埋入土
中；上部框架缩尺结构模型共三跨，中间一跨横跨地裂缝。
进一步的，步骤(1)中土箱内壁内层采用厚度为0.8mm的橡胶薄膜，并用泡沫胶贴
于土箱的箱壁内表面；土箱橡胶膜壁粘贴3cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，尺寸与土箱的箱体侧
壁框架相同。
进一步的，步骤(1)中填土前，首先将从待研究地裂缝附近采集的土体进行晾晒过
筛后装袋，并测得其含水率，于单层模型土夯实后体积固定，按照场地各层土体的参数，计
算出制作每层模型土所需土体重量和含水率，按照所需量称重已过筛土样，同时计算出达
到模型土含水率时的所需水量，用喷壶进行均匀喷洒后以满足含水率的要求；步骤(1)中的
夯实是在预夯实土体表面铺设木板，再采用夯机进行夯实作业，每层夯实至预定高度后，将
土体表面拉毛，以促进上下层的粘结。
进一步的，步骤(1)中加速度传感器布置：加速度计整体分三层布设，每层加速度
计沿着振动方向中线位置间隔布置，并且地裂缝两侧布置的密集，靠近土箱两侧布置的松
散；土箱外壁也设置加速度计和位移计。
进一步的，步骤(1)中预埋的加速度传感器进行防水处理：采用立方体有机玻璃盒
对加速度传感器进行防水处理，通过计算得出立方体玻璃盒边长，使得加速度传感器和有
机玻璃盒的整体密度等于所埋位置土体密度，使用螺栓把加速度传感器固定在立方体有机
玻璃盒底部，以保证加速度传感器正确感受被测量体的振动，然后用硅胶将立方体有机玻
璃盒密封，最后用保鲜膜对立方体有机玻璃盒进行包裹；现场布设加速度传感器时采用挖
填的方式以防止其倾斜或者移位。
进一步的，步骤(2)中以1:15比例缩尺建立上部框架缩尺结构模型；步骤(3)中采
用吊架将为步骤(2)中以1:15比例建立的上部框架缩尺模型吊装到土箱中。
进一步的，吊架包括钢架、底部方钢和槽钢；钢架的顶端是由四根方钢焊接而成的
矩形框，矩形框的四个顶点分别垂直于矩形框平面焊接有四根竖直向下的方钢，钢架的底
端为两根互相平行方钢，各焊接在一对垂直于矩形框平面的方钢的端头之间；钢架底端的
两根方钢上等距离设置有若干螺栓孔；若干底部方钢通过螺栓垂直固定在钢架底端的两根
方钢之间；两个槽钢槽口向上的分别通过螺栓安装于钢架的底端两侧的底部方钢的下端
面；钢架的顶端矩形框上设置有若干吊钩；底部方钢中轴线距离等于被吊装每列独立基础
中轴线距离。
进一步的，吊装具体包括以下步骤：
1)将两个槽钢分别布置于两个底部方钢下部并采用螺栓连接；
2)将底部方钢布设于上部框架缩尺结构模型的独立基础的预制模板下，有槽钢连
接的两个底部方钢放置在无槽钢连接的底部方钢两侧；
3)整个上部框架缩尺结构模型的混凝土完成浇筑并养护完成后，将钢架吊到底部
方钢上方，采用螺栓连接；
4)在土箱中挖沟槽，沟槽数量与吊架底部方钢数量相同；沟槽之间的间距等于底
部方钢之间的间距；
5)进行吊装，吊到高于沟槽位置正上方时，松开槽钢和底部方钢连接的螺栓，取下
槽钢，然后吊至预定位置，底部方钢落入沟槽中；
6)松开所有螺栓，钢架与底部方钢分离，将底部方钢沿沟槽抽出，完成上部框架缩
尺结构模型的吊装。
一种框架结构跨越地裂缝实验系统，包括土箱和上部框架缩尺结构模型；土箱内
壁内层采用厚度为0.8mm的橡胶薄膜，并用泡沫胶贴于箱壁内表面；土橡胶膜壁上粘贴有
3cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，尺寸与土箱的箱体侧壁框架相同；土箱中填充有土体；土体中
间制备形成有模拟地裂缝，地裂缝中填充粉细砂和熟石灰拌合而成的混合物；混合物中，细
粉砂粒径选取2mm以下，细粉沙和熟石灰的质量比是2:1；土体中布置有三层加速度传感器，
层间距大于200mm，地裂缝两侧布置的密集，靠近土箱两侧布置的松散；土箱外壁设置有加
速度计和位移计；土体上部设有上部框架缩尺结构模型，上部框架缩尺结构模型共三跨，中
间一跨横跨地裂缝。
进一步的，预埋的加速度传感器进行防水处理：采用立方体有机玻璃盒对加速度
传感器进行防水处理，通过计算得出立方体玻璃盒边长，使得加速度传感器和有机玻璃盒
的整体密度等于所埋位置土体密度，使用螺栓把加速度传感器固定在立方体有机玻璃盒底
部，以保证加速度传感器正确感受被测量体的振动，然后用硅胶将立方体有机玻璃盒密封，
最后用保鲜膜对立方体有机玻璃盒进行包裹；现场布设加速度传感器时采用挖填的方式以
防止其倾斜或者移位。
本发明采用剪切模型土箱模拟地裂缝场地步骤为首先采用厚度为2cm的木板预留
地裂缝带位置，周围土按实际地层土质要求的密实程度和重度进行分层填筑、夯实，然后取
出木板在其位置处填充粉细砂和熟石灰拌合而成的混合物，并按照设计高度来埋置传感
器，同时考虑预埋加速度传感器的防水处理及埋设，最后依次反复填充直至达到设计高度。
进一步的，土箱内壁内层采用厚度为0.8mm的橡胶薄膜，并用泡沫胶贴于箱壁内表
面。一方面可以防止土的漏出，同时还可以控制箱内土体的含水率。土箱内壁外层粘贴3cm
厚聚苯乙烯泡沫塑料板，尺寸与箱体侧壁框架相同；粘贴橡胶膜和泡沫塑料板大大减少了
边界效应，同时该装置对土的剪切变形几乎没有约束，因而能较好地模拟土在自由场地的
振动变形。
进一步的，填土前，首先将从西安地裂缝f4附近采集的土体进行晾晒过筛后装袋，
并测得其含水率。由于单层模型土夯实后体积固定，按照场地各层土体的参数，可以计算出
制作每层模型土所需土体重量和含水率。再按照所需量称重已过筛土样，同时计算出达到
模型土含水率时的所需水量，用喷壶进行均匀喷洒后即可满足含水率的要求。
进一步的，在预夯实土体表面铺设木板，再采用夯机进行夯实作业，减少电夯对土
体的直接冲击力，每层夯实至预定高度后，将土体表面拉毛，以促进上下层的粘结。
进一步的，下部土体测点应按照监测地裂缝两侧的加速度变化的思路来进行。加
速度计整体分三层布设，以测得土体不同高度的加速度反应，每层加速度计沿着振动方向
中线位置间隔布置，并且地裂缝带附近加加速度计加密布置。此外还应在土箱内壁附近布
设加速度计以验证土箱的边界效应。土箱外壁也应设置加速度计和位移计，测量土箱不同
高度处加速度和位移的变化规律。
进一步的，加速度计需埋置在模型土中，模型土的水会使得加速度计不能正常工
作。此外加速度计由金属材料制成，其密度远大于土的密度，试验过程中可能会与土耦合振
动，影响试验数据的准确性，故应按要求对其进行改装。本试验采用立方体有机玻璃盒对加
速度计进行防水处理，通过计算得出立方体玻璃盒边长，使得加速度计和有机玻璃盒的整
体密度等于模型土体密度。用螺栓把加速度计固定在小盒底部，以保证传感器正确感受被
测量体的振动，然后用硅胶将小盒密封，最后用保鲜膜对有机玻璃盒进行包裹以确保其防
水效果。在现场布设加速度计时采用挖填的方式以防止其倾斜或者移位。
本发明以1:15的缩尺比例建立上部框架结构模型步骤包括框架结构模型钢筋的
制作和安装、混凝土的浇筑与振捣，模板的安拆以及传感器和应变片的布置。
进一步的，原型结构尺寸为18.3m(长)×15.9m(宽)×18m(高)，尺寸相似比为1:
15，经计算得缩尺后模型的尺寸确定为1220mm×1060mmx1200mm，共三跨，柱子横断面尺寸
为27mm×33mm(KZ-1)和33×33mm(KZ-2)，板厚度分别为10mm，柱子和梁钢筋保护层厚度均
为2mm，板的保护层为1mm，梁柱主筋采用#14或#16镀锌铁丝来模拟，箍筋用#20镀锌铁丝来
模拟，并用M6微粒混凝土模拟原型中C30混凝土。
进一步的，一方面由于箍筋采用的镀锌铁丝太细，导致无法采用绑扎的方法来固
定在纵向主筋上，另一方面，如果采用绑扎箍筋的办法，梁柱构件的保护层(2mm)无法保证，
后期浇筑混凝土极易露筋或者导致钢筋笼扭曲。经过反复试验，本发明在制作梁柱钢筋笼
时采用了锡丝焊接的方法。锡丝焊有以下优点，首先锡丝焊点小，可以保证保护层厚度；其
次锡焊效果好，不易脱落，可以模拟绑扎钢筋的效果，此外在焊接过程中，只需固定好主筋
位置，焊接箍筋时不会扰动主筋，最后成型的钢筋笼形状规整。制作钢筋笼前，首先制作固
定主筋模具(木板)，在木板上按照主筋位置打孔并将主筋穿入固定，然后再将制作好的箍
筋穿入焊接即可。
进一步的，结构的每层板配置附加配重32Kg。
本发明地裂缝场地和上部框架结构的安装过程步骤为首先将吊架的下部四根活
动的方钢布设于独立基础的预支模板上，等整个结构混凝土完成浇筑并养护完成后，采用
高强度螺栓将吊架上部和下部紧固起来，进行吊装。在完成吊装作业后，松开螺栓，吊架上
下部分分离，将下部方钢抽出即可。
进一步的，为了更好的反映跨地裂缝结构在地震作用下的动力响应，模型结构采
用了独立基础，因此模型下部无法设置刚性底座，此外结构缩尺比例为1:15，结构构件承载
能力有限，无法在结构自身上设置吊点，因此本实验采用了外部吊架来完成模型结构的吊
装工作。吊架结构为下部为四根50mm方钢管(以下简称方钢)，上部为方钢焊接而成的吊架，
配有四个吊点。下部四根方钢和上部吊架采用高强螺栓连接。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供一种种框架结构跨越地
裂缝实验系统及方法，很好的解决了如何模拟地裂缝场地、如何制作小型结构模型钢筋笼
和如何吊装带独立基础的框架结构的问题；为以后在活动性较弱或趋于稳定的地裂缝场地
建设一般性建筑物提供可靠依据。本发明还分析了上部结构和带地裂缝土的共同作用，更
好的研究了地裂缝的破坏情况。将特殊场地框架独立基础结构的共同作用试验研究方法提
出新的研究思路。
附图说明
图1为本发明一种框架结构跨越地裂缝实验系统中实验传感器布置图；
图2为每层每个柱点应变片布置图；
图3a-图3d为模型柱配筋图；其中，图3a为KZ-1的原图，图3b为KZ-1的缩尺模型；图
3c为KZ-2的原图，图3d为KZ-2的缩尺模型；
图4为模型标准层梁配筋图；
图5为钢筋笼示意图；
图6为吊架结构示意图；
图7为吊架的上部的结构示意图；
图8为吊架的槽钢的结构示意图；
图9为吊架的下部两侧方钢的结构示意图；
图10为吊架的下部中间方钢的结构示意图。
1-加速度计，2-位移计，3-土箱，4-塑料板，5-地裂缝，6-应变片，7-纵筋，8-箍筋，
9-锡丝焊点；11-钢架，12-底部方钢，13-吊钩，14-槽钢，15-螺栓孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
请参阅图1所示，本发明一种框架结构跨越地裂缝实验系统，包括土箱3和上部框
架缩尺结构模型。
土箱3内壁内层采用厚度为0.8mm的橡胶薄膜，并用泡沫胶贴于箱壁内表面。在土
箱橡胶膜壁粘贴3cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板4，尺寸与土箱3的箱体侧壁框架相同。土箱3中
填充有从待研究地裂缝附近采集的土体；土体中间通过2cm的木板制备形成模拟地裂缝，地
裂缝中填充粉细砂和熟石灰拌合而成的混合物(细粉砂粒径选取2mm以下，细粉沙和熟石灰
的质量比是2:1)；土体中布置有三层加速度传感器，层间距大于200mm，每层加速度计沿着
振动方向中线位置间隔布置，并且地裂缝带附近加加速度计加密布置。此外，在土箱内壁附
近布设加速度计以验证土箱的边界效应。土箱外壁也设置加速度计和位移计，测量土箱不
同高度处加速度和位移的变化规律。土体上部设有上部框架缩尺结构模型，上部框架缩尺
结构模型共三跨，中间一跨横跨地裂缝。预埋的加速度传感器进行防水处理：采用立方体有
机玻璃盒对加速度传感器进行防水处理，通过计算得出立方体玻璃盒边长，使得加速度传
感器和有机玻璃盒的整体密度等于所埋位置土体密度，使用螺栓把加速度传感器固定在立
方体有机玻璃盒底部，以保证加速度传感器正确感受被测量体的振动，然后用硅胶将立方
体有机玻璃盒密封，最后用保鲜膜对立方体有机玻璃盒进行包裹；现场布设加速度传感器
时采用挖填的方式以防止其倾斜或者移位。
一种框架结构跨越地裂缝实验方法，具体包括以下步骤：
(1)采用剪切模型土箱模拟地裂缝场地：首先采用厚度为2cm的木板在土箱3预留
地裂缝带位置，周围土按实际地层土质要求的密实程度和重度进行分层填筑、夯实，然后取
出木板在其位置处填充粉细砂和熟石灰拌合而成的混合物(细粉砂粒径选取2mm以下，细粉
沙和熟石灰的质量比是2:1。目的为了近似满足地裂缝土体的力学特征；同时，混合白色熟
石灰可以观察裂缝开展走势，在试验观察上起到一定效果)，埋置传感器的同时对预埋加速
度传感器进行防水处理，最后依次反复填充直至达到设计高度。
(1.1)土箱3内壁内层采用厚度为0.8mm的橡胶薄膜，并用泡沫胶贴于箱壁内表面。
一方面可以防止土的漏出，同时还可以控制箱内土体的含水率。在土箱橡胶膜壁粘贴3cm厚
聚苯乙烯泡沫塑料板4，尺寸与土箱3的箱体侧壁框架相同；粘贴橡胶膜和泡沫塑料板大大
减少了边界效应，同时该装置对土的剪切变形几乎没有约束，因而能较好地模拟土在自由
场地的振动变形。
(12)填土前，首先将从西安地裂缝f4附近采集的土体进行晾晒过筛后装袋，并测
得其含水率。由于单层模型土夯实后体积固定，按照场地各层土体的参数，计算出制作每层
模型土所需土体重量和含水率。再按照所需量称重已过筛土样，同时计算出达到模型土含
水率时的所需水量，用喷壶进行均匀喷洒后即可满足含水率的要求。
(13)夯实步骤：在预夯实土体表面铺设木板，再采用夯机进行夯实作业，减少电夯
对土体的直接冲击力，每层夯实后，将土体表面拉毛，以促进上下层的粘结。
(14)传感器布置：下部土体测点应按照监测地裂缝两侧的加速度变化的思路来进
行：地裂缝两侧布置的密集，靠近土箱两侧布置的松散。加速度计整体分三层布设，加速度
计分层布置高度大于200mm，以测得土体不同高度的加速度反应，每层加速度计沿着振动方
向中线位置间隔布置，并且地裂缝带附近加加速度计加密布置。此外，在土箱内壁附近布设
加速度计以验证土箱的边界效应。土箱外壁也设置加速度计和位移计，测量土箱不同高度
处加速度和位移的变化规律。
(15)预埋加速度传感器的防水处理及埋设：加速度计1需埋置在模型土中，模型土
的水会使得加速度计不能正常工作。此外加速度计由金属材料制成，其密度远大于土的密
度，试验过程中可能会与土耦合振动，影响试验数据的准确性，故应按要求对其进行改装。
本试验系统采用立方体有机玻璃盒对加速度计1进行防水处理，通过计算得出立方体玻璃
盒边长，使得加速度计和有机玻璃盒的整体密度等于模型土体密度。用螺栓把加速度计固
定在立方体玻璃盒底部，以保证传感器正确感受被测量体的振动，然后用硅胶将立方体玻
璃盒密封，最后用保鲜膜对有立方体玻璃盒进行包裹以确保其防水效果。在现场布设加速
度计时采用挖填的方式以防止其倾斜或者移位。
(2)以1:15的缩尺比例建立上部框架缩尺结构模型：框架结构模型钢筋的制作和
安装、混凝土的浇筑与振捣，模板的安拆以及传感器和应变片的布置。应变片每层每个柱点
都布置，如图2所示。
(21)原型上部框架结构尺寸为18.3m(长)×15.9m(宽)×18m(高)，共三跨，以1:15
比例缩尺，如图3、4所示，经计算得缩尺后模型，其尺寸确定为1220mm(长)×1060mm(宽)
x1200mm(高)，柱子横断面尺寸为27mm×33mm(KZ-1)和33×33mm(KZ-2)，板厚度分别为
10mm，柱子和梁钢筋保护层厚度均为2mm，板的保护层为1mm，梁柱主筋采用#14或#16镀锌铁
丝来模拟，箍筋用#20镀锌铁丝来模拟，并用M6微粒混凝土模拟原型中C30混凝土。
(22)上部框架缩尺结构模型中钢筋笼的制作：制作钢筋笼前，首先制作固定主筋
模具(木板)，在木板上按照主筋位置打孔并将主筋穿入固定，然后再将制作好的箍筋穿入
焊接即可，如图5所示。本发明在制作梁柱钢筋笼时采用了锡丝焊接的方法，因为于箍筋采
用的镀锌铁丝太细，导致无法采用绑扎的方法来固定在纵向主筋上，和如果采用绑扎箍筋
的办法，梁柱构件的保护层(2mm)无法保证，后期浇筑混凝土极易露筋或者导致钢筋笼扭
曲。锡丝焊有以下优点，首先锡丝焊点小，可以保证保护层厚度；其次锡焊效果好，不易脱
落，可以模拟绑扎钢筋的效果，此外在焊接过程中，只需固定好主筋位置，焊接箍筋时不会
扰动主筋，最后成型的钢筋笼形状规整。
(23)在结构的每层板配置附加配重32Kg。
(3)场地和上部框架结构的安装过程：采用吊架吊装上部框架缩尺结构模型；首先
将吊架的下部四根活动的方钢布设于独立基础的预支模板上，等上部框架缩尺结构模型的
整个结构混凝土完成浇筑并养护完成后，采用高强度螺栓将吊架上部和下部紧固起来，进
行吊装。在完成吊装作业后，松开螺栓，吊架上下部分分离，将下部方钢抽出即。吊装后，上
部框架底部埋入土中，深度按实际工程埋入深度缩尺确定，大约15cm。
(31)为了更好的反映跨地裂缝结构在地震作用下的动力响应，模型结构采用了独
立基础，因此模型下部无法设置刚性底座，此外结构缩尺比例为1:15，结构构件承载能力有
限，无法在结构自身上设置吊点，因此必须考虑采用其他装置来完成结构的吊装工作。本发
明采用了外部吊架来完成模型结构的吊装工作，下部为四根50mm方钢管(以下简称方钢)部
为方钢焊接而成的吊架，配有四个吊点。下部四根方钢和上部吊架采用高强螺栓连接。
请参阅图6至图10所示，吊架，包括钢架11、底部方钢12和槽钢14。
钢架11的顶端是由四根方钢焊接而成的矩形框，矩形框的四个顶点分别垂直于矩
形框平面焊接有四根竖直向下的方钢，钢架11的底端为两根互相平行方钢，各焊接在一对
垂直于矩形框平面的方钢的底部端头之间。钢架11底端的两根方钢上等距离设置有若干螺
栓孔；底部方钢12通过螺栓垂直固定在钢架11底端的两根方钢之间；两个槽钢14槽口向上
的分别通过螺栓安装于钢架11的底端两侧的底部方钢12下端面。钢架1的顶端矩形框上设
置有若干吊钩。底部方钢12中轴线距离等于每列独立基础中轴线距离。
底部方钢12的数量和模型结构的跨度有关。本模型结构选用是3×3跨的框架结
构，有4列独立基础，所以选用四根方钢。
吊装方法，包括以下步骤：
1)将两个槽钢14分别布置于两个底部方钢12下部并采用两个螺栓连接；
2)将底部方钢12布设于上部框架缩尺结构模型的独立基础的预制模板下，有槽钢
14连接的两个底部方钢12放置在无槽钢连接的底部方钢12两侧；
3)整个上部框架缩尺结构模型的混凝土完成浇筑并养护完成后，将钢架11吊到底
部方钢12上方，采用螺栓连接；
4)在土箱中挖沟槽，沟槽数量与吊架底部方钢12数量相同；沟槽之间的间距等于
底部方钢12之间的间距；
5)进行吊装，吊到高于沟槽位置正上方50公分时，松开槽钢14和底部方钢12连接
的螺栓，取下槽钢14，然后吊至预定位置，底部方钢12落入沟槽中；
6)松开所有螺栓，钢架与底部方钢12分离，将底部方钢12沿沟槽抽出；完成上部框
架缩尺结构模型的吊装；沟槽宽度须大于独立基础宽度10mm。
实验实施过程：本发明采用X向输入激振，从小到大分七级进行加载，每级加载前
均采用幅值为0.05g的白噪声进行扫频试验，观察模型体系的动力特性的变化。实验时沿垂
直地裂缝方向输入激振，地震波持时按时间相似比进行换算。根据本发明的试验目的及场
地类别，本次试验选取El-Centro波、江油波和基岩波振动台试验的地震波输入。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人
士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明
精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。