CN103374931B - 模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，包括模型槽，设在模型槽上的横梁支撑柱，设在横梁支撑柱上的加载横梁，设在模型槽内的模型基础，连接在加载横梁上的竖向导轨和竖向加载作动器，连接在竖向导轨上的竖向滑板，固定于竖向滑板上的水平导轨和水平加载作动器，连接于水平导轨上的水平滑板，固定于水平滑板上的转角加载作动器，连接于水平滑板上的弧形滑板，以及一端与弧形滑板连接、另一端与模型基础连接的加载杆。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、模拟精度高、可模拟多向荷载的耦合作用等优点。

Description

模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置

技术领域

本发明涉及一种模型试验加载装置，尤其是涉及一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置。

背景技术

随着全球气候恶化和环境破坏的日益严重，节能减排和发展新能源已成为世界各国的共识。风电作为零污染能源成为了近几十年内实现电力清洁化、满足电力消费的主要发展方向。目前风电已是欧洲国家的主要新增装机来源，而对中国来说，西北地区、北方平原地区和东南沿海地区风能资源丰富，具有很大的开发利用价值。我国风电场的建设将极大地缓解我国东部地区的能源危机，优化电网结构，是实现可持续发展的重要方法，具有重大战略意义。“陆地、滩涂、近海、远洋”的发展是我国风电建设的一个必然趋势。我国具有将近4000万亩的滩涂地区，对滩涂的开发利用是缓解我国东部地区人口密集土地资源不足的必要措施，同时东部沿海滩涂地区风力资源丰富，在东部沿海滩涂建设风电场，不仅具备良好的动力储备，且对缓解东部地区的电力危机具有决定性的意义。

由于风机对变形的控制标准非常严格，因此对基础的要求极高，特别在沿海滩涂深厚的软土地基上，对基础的承载能力更要严格控制。沿海滩涂常用的基础形式有，桩基础、沉井加桩复合基础以及沉井基础。风电基础处在风电塔架和风机设备等竖向自重荷载、风机工作荷载以及风荷载产生的巨大水平力和弯矩三向荷载共同作用下，极易产生变形，如果这种变形得不到有效的控制，将会严重影响风机的正常运作和安全。同时，为保证风电场的长期运作，风机往往需要面对各种恶劣天气，特别是临海风电场，经常会暴露在台风等自然灾害下，这种强风天气容易造成风机基础达到极限承载力而破坏。找到合理的方法预测和控制多向荷载耦合作用下风电基础的变形和极限承载力，对保证风机的正常运作和安全具有重大的帮助，也是风电场的建设的重要保障。

针对竖向、水平向以及弯矩荷载耦合作用下的桩基础，横山幸满(1981)指出简单的应力叠加原理并不适合。因此风机基础的建设面临着两个问题：(1)多向耦合荷载作用下风机基础的变形控制；(2)多向耦合荷载作用下风机基础的极限承载力的确定。显然以上两方面至今还缺乏较为可靠的分析方法。为弥补理论分析的局限性，对于重要工程，需要结合室内模型试验进行分析，其中的关键技术是如何模拟基础受多向耦合荷载的作用，而目前尚未发现有关该问题的报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用范围广、模拟精度高的模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，包括：

模型槽；

横梁支撑柱，该横梁支撑柱安装于模型槽上；

加载横梁，该加载横梁安装于横梁支撑柱上；

模型基础，该模型基础设在模型槽内；

竖向导轨，该竖向导轨与加载横梁连接；

竖向滑板，该竖向滑板连接于竖向导轨上；

竖向加载作动器，该竖向加载作动器一端与加载横梁连接，另一端与竖向滑板连接；

水平导轨，该水平导轨固定于竖向滑板上；

水平滑板，该水平滑板与水平导轨连接；

水平加载作动器，该水平加载作动器一端固定于竖向滑板上，另一端与水平滑板连接；

弧形滑板，该弧形滑板连接于水平滑板上；

转角加载作动器，该转角加载作动器一端固定于水平滑板上，另一端与弧形滑板连接；

加载杆，该加载杆一端固定于弧形滑板上，另一端与模型基础连接。

所述的模型槽包括槽钢骨架、有机玻璃和加固角钢，所述的槽钢骨架的前后左右四面通过有机玻璃密封成型，所述的加固角钢设置在槽钢骨架的中间部位。

所述的横梁支撑柱上设有多个均匀分布的螺孔和无级微调空槽，所述的模型槽通过螺栓与横梁支撑柱连接，所述的加载横梁通过螺栓可调整地连接在横梁支撑柱上，所述的横梁支撑柱和加载横梁均由钢结构制成。

所述的竖向导轨通过螺栓连接于加载横梁上，所述的竖向滑板底面固定有四个滑轮，所述的竖向滑板通过滑轮与竖向导轨滑动连接。

所述的竖向加载作动器的一端通过螺栓固定于加载横梁上，另一端通过螺栓固定于竖向滑板上。

所述的水平导轨焊接固定于竖向滑板上。

所述的水平滑板底面上固定有四个滑轮，顶面上固定有四个滑轮，所述的水平导轨通过水平滑板底面上的滑轮与水平滑板滑动连接，所述的弧形滑板通过水平滑板顶面上的滑轮与水平滑板连接。

所述的水平加载作动器的一端通过螺栓固定于竖向滑板上，另一端通过螺栓固定于水平滑板上。

所述的转角加载作动器的一端通过螺栓固定于水平向滑板上，另一端通过螺栓固定于弧形滑板上。

所述的加载杆的一端焊接固定于弧形滑板上，另一端与模型基础连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

适用范围广、模拟精度高，突破了现有试验装置只能进行竖向和水平向单向加载的限制，能够模拟多种荷载的组合加载工况，且作动器的位置可调，能够很好的适应模型基础的布置情况。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为本发明的局部侧视结构示意图。

图中：1、槽钢骨架；2、有机玻璃；3、横梁支撑柱；4、加载横梁；5、螺孔；6、螺栓；7、无级微调孔槽；8、竖向导轨；9、水平导轨；10、竖向滑板；11、水平滑板；12、弧形滑板；13、水平加载作动器；14、竖向加载作动器；15、转角加载作动器；16、模型基础；17、加固角钢；18、滑轮；19、加载杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～4所示，本发明的模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，包括模型槽、横梁支撑柱3、加载横梁4、竖向导轨8、水平导轨9、竖向滑板10、水平滑板11、弧形滑板12、水平加载作动器13、竖向加载作动器14、转角加载作动器15、模型基础16、滑轮18、加载杆19。模型槽由槽钢骨架1和有机玻璃2构成，并在模型槽中间部位设置加固角钢17，使用有机玻璃2可方便观察试验中土体及基础的位移情况3；左右两面有机玻璃设置4个螺孔5，横梁支撑柱3通过螺栓6连接在模型槽上；横梁支撑柱3上设置有可调节加载横梁位置的螺孔5和无级微调孔槽7，加载横梁4通过螺栓6连接在横梁支撑柱3上；竖向导轨8通过螺栓6固定于加载横梁4上，可调节加载装置的水平位置；竖向滑板10底面上设置有四个滑轮18，通过滑轮18连接于竖向导轨8上；竖向加载作动器14一端通过螺栓6固定于加载横梁4上，另一端(加载端)通过螺栓6与竖向滑板10连接；水平导轨9焊接于竖向滑板10上；水平滑板11上顶面和底面上分别设置有四个滑轮18，通过底面的滑轮连接于水平导轨9上；水平荷载作动器13一端通过螺栓固定于竖向滑板10上，另一端(加载端)通过螺栓与水平滑板11连接；弧形滑板12通过水平滑板11顶面上的滑轮18连接于水平滑板11上；加载杆19一端与弧形滑板12焊接，另一端(加载端)与模型基础16连接。

如图1～4所示，模型槽长为1000mm，高为1000mm，宽为600mm，由槽钢骨架1和有机玻璃2构成，并在模型槽中间部位设置加固角钢17，宽度为75mm，厚度为5mm，有机玻璃2厚度为10mm，便于观测土体内部位移，加载横梁4长为1000mm，横梁支撑柱3高为600mm，均由H型钢制作，翼缘宽度为100mm，厚度为10mm，腹板宽度为100mm，腹板厚度为10mm，横梁支撑柱3的翼缘两侧各等距设置10个螺孔5，加载横梁4与支撑柱3通过螺栓6连接，拆卸简便，以实现调整加载设备位置；竖向导轨8长600mm，宽50mm，通过螺栓6固定于加载横梁4上；竖向滑板10由钢板制作，长400mm，宽400mm，厚5mm，竖向滑板10底面固定四个滑轮18，滑轮18直径20mm，滑轮水平向中心间距70mm，滑轮竖向中心间距150mm，在竖向滑板10上设置5个螺孔5，其中4个用于固定水平加载作动器13；竖向加载作动器14通过螺栓6与加载横梁4连接，加载端通过1个螺栓与竖向滑板10连接；水平导轨9长300mm，宽50mm，焊接于竖向滑板10上；水平滑板11由钢板制作，长300mm，宽300mm，厚5mm，水平滑板11底面固定四个滑轮18，滑轮18直径20mm，底面滑轮竖向中心间距70mm，底面滑轮水平向中心间距150mm，竖向中心间距70mm，通过这四个滑轮连接于水平导轨9上，并在水平导轨9上滑动；水平滑板11顶面固定四个滑轮18，顶面滑轮水平中心间距50mm，顶面滑轮竖向中心间距70mm，水平滑板11上设置5个螺孔5，其中4个用于固定转角加载作动器15；水平加载作动器13通过螺栓6固定于竖向滑板10上，加载端通过1个螺栓6与水平滑板11连接；弧形滑板12由钢板制作，宽50mm，圆弧半径300mm，长150mm，嵌于水平滑板11顶面滑轮18中间；加载杆19焊接于弧形滑板12上，加载杆19的加载端与模型基础16相连，通过外部计算机控制加载作动器行为，即可实现对基础的多向耦合加载模型试验。

本装置的工作过程：在模型槽中装填试验用土体，土体中埋置试验模型基础，可以进行单桩、群桩、沉井基础和桩-井复合基础的半模或全模试验，调整加载横梁位置，使加载杆与模型基础处于同一平面；调整竖向导轨在加载横梁上的位置，使加载杆中心对准模型基础中心；调整竖向滑板在竖向导轨上的位置，使加载杆的加载端与模型基础顶面处于同一水平面，并固定；通过外部计算机控制，即可对基础实现三向荷载的多种荷载组合工况，并可即时记录加载情况(荷载大小)；通过测量装置可收集数据，分析模型基础的承载及变形特性，以及桩周土体发生的位移情况。

Claims (8)

1.一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，其特征在于，包括：

模型槽；

横梁支撑柱，该横梁支撑柱安装于模型槽上；

加载横梁，该加载横梁安装于横梁支撑柱上；

模型基础，该模型基础设在模型槽内；

竖向导轨，该竖向导轨与加载横梁连接；

竖向滑板，该竖向滑板连接于竖向导轨上；

竖向加载作动器，该竖向加载作动器一端与加载横梁连接，另一端与竖向滑板连接；

水平导轨，该水平导轨固定于竖向滑板上；

水平滑板，该水平滑板与水平导轨连接；

水平加载作动器，该水平加载作动器一端固定于竖向滑板上，另一端与水平滑板连接；

弧形滑板，该弧形滑板连接于水平滑板上；

转角加载作动器，该转角加载作动器一端固定于水平滑板上，另一端与弧形滑板连接；

加载杆，该加载杆一端固定于弧形滑板上，另一端与模型基础连接；

所述的竖向导轨通过螺栓连接于加载横梁上，所述的竖向滑板底面固定有四个滑轮，所述的竖向滑板通过滑轮与竖向导轨滑动连接；

所述的水平滑板底面上固定有四个滑轮，顶面上固定有四个滑轮，所述的水平导轨通过水平滑板底面上的滑轮与水平滑板滑动连接，所述的弧形滑板通过水平滑板顶面上的滑轮与水平滑板连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的模型槽包括槽钢骨架、有机玻璃和加固角钢，所述的槽钢骨架的前后左右四面通过有机玻璃密封成型，所述的加固角钢设置在槽钢骨架的中间部位。

3.根据权利要求1所述的一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的横梁支撑柱上设有多个均匀分布的螺孔和无级微调空槽，所述的模型槽通过螺栓与横梁支撑柱连接，所述的加载横梁通过螺栓可调整地连接在横梁支撑柱上，所述的横梁支撑柱和加载横梁均由钢结构制成。

4.根据权利要求1所述的一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的竖向加载作动器的一端通过螺栓固定于加载横梁上，另一端通过螺栓固定于竖向滑板上。

5.根据权利要求1所述的一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的水平导轨焊接固定于竖向滑板上。

6.根据权利要求1所述的一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的水平加载作动器的一端通过螺栓固定于竖向滑板上，另一端通过螺栓固定于水平滑板上。

7.根据权利要求1所述的一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的转角加载作动器的一端通过螺栓固定于水平向滑板上，另一端通过螺栓固定于弧形滑板上。

8.根据权利要求1所述的一种模拟风电基础受三向耦合荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的加载杆的一端焊接固定于弧形滑板上，另一端与模型基础连接。