一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及加载方法

摘要

本发明涉及一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及加载方法，包括用于设定振动位置的平台运动结构、用于控制桩基振动频率和振幅的水平循环加载结构以及适用于多种桩径的桩基固定结构；其中，平台运动结构架设在试验水槽顶部，水平循环加载结构安装在由平台运动结构提供的平台上，其可绕桩基进行360°转动，桩基固定结构通过传动杆与水平循环加载结构连接；本发明原理简单、操作方便，可以使水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，同时使得水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，并可以实时控制桩基振动频率以及波流与桩自振方向夹角，此外还能够适应多种尺寸的桩基。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及加载方法，属于海上风机桩基结构动力特性室内模型试验设备技术领域。

背景技术

风能以其蕴量巨大、可再生、分布广泛、污染较小等优势，受到了世界各国政府、企业、学者的广泛关注和研究。我国的风能总储量约 32.26亿kW，可开发风能约10亿kW。从风能来源的角度，可将风能分为陆上风能和海上风能。其中，海上风能资源储量大、高风速、低风切变、低湍流、噪音污染小和不占用耕地。在我国外海工程施工能力大幅提升背景下，海上风电项目也随之大力推进。

尽管上海东海大桥海上风电、江苏如东潮间带试验风电等多个项目业已投入生产，但是海上风机所特有的自身振动和复杂海况下的桩土共同作用机理研究却仍在起步阶段。此外，研究表明，当海上风机下部泥面由于桩土作用而被掏空、下降时，振动频率改变可能产生的共振会影响结构的承载力和耐久性，甚至带来毁灭性后果，因此相关研究对于工程设计也有一定的指导意义。

在以往室内试验中，用以产生近似于结构自身频率的循环荷载一般通过外加激振器或者以齿轮结构为主的循环加载装置施加。利用前者施加循环荷载的方法，易对土体产生扰动；以齿轮结构为主的循环加载装置已有发明专利发表，例如浙江大学国振等人发明的“用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置及方法（CN201510624557.7）”，但是该装置控制的是施加外力不变，振动幅值却随振动时间推移逐渐变化，无法施加恒定幅值的水平循环荷载，因而在研究现阶段不便于量化桩土作用。

此外，实际复杂风象、海象下，桩基振动方向与外部荷载（波、流）方向并非是同一方向，反映到桩土作用中，会增大抑或是减小冲刷也未曾有人研究；另外，目前研究多是处在定频率持续振动桩基的桩土作用，实际外海工程中，海风瞬息万变，对应风机的频率也在时刻变化，频率变化是否会对桩土作用产生影响也是值得研究的问题；最后，目前其他学者设计的类似试验装置，桩基与施力装置之间的连接为固接，如若研究桩径变化的影响，试验后拆装更桩基换比较困难，此外适应的桩基也有限。

综上所述，有必要开发和研制一种水平循环加载系统，在保证操作简易的同时，使得水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，也可以实时控制桩基振动频率以及波流与桩自振方向夹角，最后该装置应能够适应多种尺寸的桩基。

发明内容

本发明提供一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及加载方法，其原理简单、操作方便，可以使水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，同时使得水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，并可以实时控制桩基振动频率以及波流与桩自振方向夹角，此外还能够适应多种尺寸的桩基。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，包括用于设定振动位置的平台运动结构、用于控制桩基振动频率和振幅的水平循环加载结构以及适用于多种桩径的桩基固定结构；其中，平台运动结构架设在试验水槽顶部，水平循环加载结构安装在由平台运动结构提供的平台上，其可绕桩基进行360°转动，桩基固定结构通过传动杆与水平循环加载结构连接；

作为本发明的进一步优选，前述的平台运动结构包括平动构件和桩基定轴转动构件，使平台在水槽顶部实现纵向、横向和水平方向的转动；

平动构件包括设置在水槽顶部纵向方向上一对相对且平行的横向滑杆以及设置在水槽顶部横向方向上一对相对且平行的纵向滑杆，其中，纵向滑杆分别固定在水槽纵向侧壁顶部，其上套设纵向滑套，平台沿着纵向滑杆可实现在纵向方向的滑动；横向滑杆的两端分别刚性连接在纵向滑杆上，在横向滑杆上套设横向滑套，平台沿着横向滑杆可实现在横向方向的滑动；

在纵向滑套、横向滑套的两端分别开设螺纹孔洞，纵向滑套与纵向滑杆之间、横向滑套与横向滑杆之间分别安装刹车片，在纵向滑套、横向滑套的两端分别安装刹车旋钮，刹车旋钮与刹车片相匹配，实现平台于试验设定的振动位置的锁定；

桩基定轴转动构件包括固定在横向滑杆上方的环形齿轮导轨、一个主动施力齿轮和三个从动齿轮，其中，主动施力齿轮与一个从动齿轮安装在环形齿轮导轨的外侧，两者分别与环形齿轮导轨外侧相啮合，另外两个从动齿轮安装在环形齿轮导轨环形内侧，两者同样分别与环形齿轮内侧相啮合，三个从动齿轮的转轴同时固定在平台的底面上，转轴内设有滚珠轴承，实现从动齿轮的从动；

作为本发明的进一步优选，水平循环加载结构包括旋转变幅往复构件，其中，旋转变幅往复构件包括水平电机、圆盘、连动杆和传动杆，水平电机固定在平台上，其电机轴与圆盘中心固定连接，沿着圆盘径向开设一条细槽，连动杆的一端通过螺丝连接可转动连接在细槽内，其另一端与传动杆一端连接，传动杆的另一端与桩基固定结构连接，在传动杆外围套设套筒，套筒固定在平台表面；

还包括安装在平台上的垂直电机，其与主动施力齿轮相连接，用于控制主动施力齿轮的转动；

作为本发明的进一步优选，桩基固定结构包括金属板，在金属板上开设两组孔，每组孔包括两个小孔，其用于安装U型螺栓；

作为本发明的进一步优选，还包括用于控制桩基定轴转动构件的第一控制模块和用于控制旋转变幅往复构件的第二控制模块，前述的第一控制模块包括第一变频器，其动力输入端连接第一调频交流电源，动力输出端连接垂直电机，信号输出端、输入端同时与第一逻辑控制器相连，第一逻辑控制器同时与控制端相连；

前述的第二控制模块包括第二变频器，其信号输出端、输入端均与第二逻辑控制器相连，其动力输入端连接第二调频交流电源，动力输出端与水平电机相连，第二逻辑控制器同时与控制端相连；

前述的控制端为计算机；

作为本发明的进一步优选，连动杆的一端通过螺丝连接可转动连接在细槽内，前述的螺丝两端布设螺纹，中间光滑，螺丝光滑部分穿插在细槽内，通过螺母将螺丝与圆盘锁紧；在圆盘上靠近细槽位置平行布设用于控制振幅的刻度尺；

一种适用于海上风机桩基振动试验的加载方法，包括以下步骤：

第一步：松开安装在纵向滑套、横向滑套两端的刹车旋钮，根据桩位调整平台在水槽纵向横向上的相对位置，旋紧刹车旋钮，利用刹车片分别与横向滑杆、纵向滑杆之间的摩擦力使得平台固定；

第二步：在U型螺栓内套入试验所用桩基，通过放松、拧紧U型螺栓上的螺母以适应试验采用桩的桩径；

第三步：根据试验采用的振幅，在圆盘上对应刻度尺相应位置，将靠近圆盘一侧的螺母旋紧；

第四步：在计算机内输入水平转动角度，程序将转动角度换算为转数，转数信息传入第一逻辑控制器中，打开控制水平转动部分的第一调频交流电源，平台开始转动；

第五步：在计算机输入振动所需的频率，程序将振动频率对应的电压信息传入第二逻辑控制器中，打开水平循环加载模块的第二调频交流电源，第二逻辑控制器程序识别变频器输出的电压和频率与所需值进行比较，控制变频器控制输出的电压和频率，控制振动的频率。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明能够保持向桩基施加循环荷载时，振动的幅值不变并可预先设置；

通过本发明平台运动结构的控制系统，可对桩基振动方向和波、流向夹角进行实时控制；

通过本发明水平循环加载模块控制系统，可对桩基振动频率进行实时控制；

通过本发明的桩基固定结构，试验后拆卸装置变得相对简单，并且加载系统能够适应多种桩径的桩基。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的整体加载系统示意图；

图2为本发明的优选实施例的主体结构的正视图；

图3为本发明的优选实施例的主体结构的右视图；

图4为本发明的优选实施例的主体结构的俯视图；

图5为本发明的优选实施例的图3中A-A部分的剖面图；

图6为本发明的优选实施例的平台纵向滑杆与纵向滑套或横向滑杆与横向滑套的横截面图；

图7为本发明的优选实施例的水平循环加载结构的主体结构细部图；

图8为本发明的优选实施例的平台运动结构及水平循环加载结构的动力、数据线路走向示意图。

图中：1-1为纵向滑杆，1-2为纵向滑套，1-3为横向滑杆，1-4为横向滑套，1-5为刹车旋钮，1-6为刹车片，1-7为环形齿轮导轨，1-8为主动施力齿轮，1-9为从动齿轮，1-10为滚珠轴承，1-11为第一变频器，1-12为第一逻辑控制器，1-13为第一调频交流电源，1-14为垂直电机，2-1为水平电机，2-2为圆盘，2-3为螺丝，2-4为螺母，2-5为连动杆，2-6为传动杆，2-7为套筒，2-8为第二变频器，2-9为第二逻辑控制器，2-10为第二调频交流电源，2-11为刻度尺，3-1为U型螺栓，3-2为平板，4-1为平台，4-2为控制端。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图8所示，本发明包括以下特征部件：1-1为纵向滑杆，1-2为纵向滑套，1-3为横向滑杆，1-4为横向滑套，1-5为刹车旋钮，1-6为刹车片，1-7为环形齿轮导轨，1-8为主动施力齿轮，1-9为从动齿轮，1-10为滚珠轴承，1-11为第一变频器，1-12为第一逻辑控制器，1-13为第一调频交流电源，1-14为垂直电机，2-1为水平电机，2-2为圆盘，2-3为螺丝，2-4为螺母，2-5为连动杆，2-6为传动杆，2-7为套筒，2-8为第二变频器，2-9为第二逻辑控制器，2-10为第二调频交流电源，2-11为刻度尺，3-1为U型螺栓，3-2为平板，4-1为平台，4-2为控制端。

图1-图3所示，本发明的一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，包括用于设定振动位置的平台运动结构、用于控制桩基振动频率和振幅的水平循环加载结构以及适用于多种桩径的桩基固定结构；其中，平台运动结构架设在试验水槽顶部，水平循环加载结构安装在由平台运动结构提供的平台上，其可绕桩基进行360°转动，桩基固定结构通过传动杆与水平循环加载结构连接；

作为本发明的进一步优选，前述的平台运动结构包括平动构件和桩基定轴转动构件，使平台在水槽顶部实现纵向、横向和水平方向的转动；

平动构件包括设置在水槽顶部纵向方向上一对相对且平行的横向滑杆以及设置在水槽顶部横向方向上一对相对且平行的纵向滑杆，其中，纵向滑杆分别固定在水槽纵向侧壁顶部，其上套设纵向滑套，平台沿着纵向滑杆可实现在纵向方向的滑动；横向滑杆的两端分别刚性连接在纵向滑杆上，在横向滑杆上套设横向滑套，平台沿着横向滑杆可实现在横向方向的滑动；

图6所示，在纵向滑套、横向滑套的两端分别开设螺纹孔洞，纵向滑套与纵向滑杆之间、横向滑套与横向滑杆之间分别安装刹车片，在纵向滑套、横向滑套的两端分别安装刹车旋钮，刹车旋钮与刹车片相匹配，实现平台于试验设定的振动位置的锁定；

图4-图5所示，桩基定轴转动构件包括固定在横向滑杆上方的环形齿轮导轨、一个主动施力齿轮和三个从动齿轮，其中，主动施力齿轮与一个从动齿轮安装在环形齿轮导轨的外侧，两者分别与环形齿轮导轨外侧相啮合，另外两个从动齿轮安装在环形齿轮导轨环形内侧，两者同样分别与环形齿轮内侧相啮合，三个从动齿轮的转轴同时固定在平台的底面上，转轴内设有滚珠轴承，实现从动齿轮的从动；

图7所示，作为本发明的进一步优选，水平循环加载结构包括旋转变幅往复构件，其中，旋转变幅往复构件包括水平电机、圆盘、连动杆和传动杆，水平电机固定在平台上，其电机轴与圆盘中心固定连接，沿着圆盘径向开设一条细槽，连动杆的一端通过螺丝连接可转动连接在细槽内，其另一端与传动杆一端连接，传动杆的另一端与桩基固定结构连接，在传动杆外围套设套筒，套筒固定在平台表面；

还包括安装在平台上的垂直电机，其与主动施力齿轮相连接，用于控制主动施力齿轮的转动；

作为本发明的进一步优选，桩基固定结构包括金属板，在金属板上开设两组孔，每组孔包括两个小孔，其用于安装U型螺栓；

图8所示，作为本发明的进一步优选，还包括用于控制桩基定轴转动构件的第一控制模块和用于控制旋转变幅往复构件的第二控制模块，前述的第一控制模块包括第一变频器，其动力输入端连接第一调频交流电源，动力输出端连接垂直电机，信号输出端、输入端同时与第一逻辑控制器相连，第一逻辑控制器同时与控制端相连；

前述的第二控制模块包括第二变频器，其信号输出端、输入端均与第二逻辑控制器相连，其动力输入端连接第二调频交流电源，动力输出端与水平电机相连，第二逻辑控制器同时与控制端相连；

前述的控制端为计算机；

作为本发明的进一步优选，连动杆的一端通过螺丝连接可转动连接在细槽内，前述的螺丝两端布设螺纹，中间光滑，螺丝光滑部分穿插在细槽内，通过螺母将螺丝与圆盘锁紧；在圆盘上靠近细槽位置平行布设用于控制振幅的刻度尺；

一种适用于海上风机桩基振动试验的加载方法，包括以下步骤：

第一步：松开安装在纵向滑套、横向滑套两端的刹车旋钮，根据桩位调整平台在水槽纵向横向上的相对位置，旋紧刹车旋钮，利用刹车片分别与横向滑杆、纵向滑杆之间的摩擦力使得平台固定；

第二步：在U型螺栓内套入试验所用桩基，通过放松、拧紧U型螺栓上的螺母以适应试验采用桩的桩径；

第三步：根据试验采用的振幅，在圆盘上对应刻度尺相应位置，将靠近圆盘一侧的螺母旋紧；

第四步：在计算机内输入水平转动角度，程序将转动角度换算为转数，转数信息传入第一逻辑控制器中，打开控制水平转动部分的第一调频交流电源，平台开始转动；

第五步：在计算机输入振动所需的频率，程序将振动频率对应的电压信息传入第二逻辑控制器中，打开水平循环加载模块的第二调频交流电源，第二逻辑控制器程序识别变频器输出的电压和频率与所需值进行比较，控制变频器控制输出的电压和频率，控制振动的频率。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。