CN104155190A - 一种模拟长期循环荷载作用的试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，包括长期循环荷载加载装置、模型箱、竖向循环加载配套装置及水平循环加载配套装置；模型箱用于装填试验用土体，试验用土体中埋置模型基础；通过长期循环荷载加载装置与竖向循环加载配套装置进行竖向循环加载模拟试验；通过长期循环荷载加载装置与水平循环加载配套装置进行水平循环加载模拟试验。与现有技术相比，本发明适用范围广、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，能够模拟竖向及水平向循环荷载加载工况，且能进行精确自平衡，能进行长期循环加载。

Description

一种模拟长期循环荷载作用的试验系统

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长期循环荷载作用的试验系统。

背景技术

随着经济的快速发展，越来越多的跨海大桥及新型能源工程等陆续兴建，跨海大桥工程，如青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥、舟山跨海大桥、厦漳跨海大桥、南澳跨海大桥、港珠澳大桥等，极大地缩短了地区之间的距离，加速了地区间生产要素的流动和经济的融合，助推了沿海地区经济的发展。新型能源工程，如风力发电，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。我国西北地区、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。

在跨海大桥及风力发电工程中，上部结构在运行期内要承担风、浪、交通等具有明显周期性的循环荷载作用。跨海大桥及风力发电工程的基础形式有，桩基础、沉井基础以及沉井加桩复合基础。桥梁基础处在桥梁路面等竖向自重荷载、交通竖向循环荷载和风浪水平向循环荷载的共同作用下，显然，除了竖向自重荷载，竖向及水平向循环荷载也将对桥梁桩基础的服役产生严重影响。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竖向及水平向循环荷载共同作用下，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，桥梁及风机会经常暴露在自然环境下，并且作用在桥梁及风电基础上的竖向及水平向循环荷载具有明显的长期性，长期往复循环荷载将对桥梁及风电基础的承载力产生影响，并产生累积沉降变形，从而严重了这些工程的安全运行。找到合理的方法预测和控制竖向及水平向循环荷载作用下桥梁及风电基础的承载力和累积变形，对保证这些工程的正常运作和安全具有重大意义。

针对竖向及水平向循环荷载作用下的基础，桥梁及风电基础的建设面临两个问题：(1)循环荷载作用下桥梁及风机基础的累积变形预测；(2)循环荷载作用下桥梁及风机基础的承载力的确定。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长期承受竖向及水平向循环荷载的作用，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、模拟精度高的模拟长期循环荷载作用的试验系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，包括长期循环荷载加载装置、模型箱、竖向循环加载配套装置及水平循环加载配套装置；

所述的长期循环荷载加载装置包括底座、固定支架、转轴、竖向循环加载用定滑轮支架、双梁平衡轴、电机、平衡锤、刀口转臂、第一砝码加载杆及滑轮，所述的固定支架固定在底座上，所述的转轴安装在固定支架上，所述的双梁平衡轴的中部与转轴固定连接，所述的电机设在双梁平衡轴的一端，所述的刀口转臂连接在电机的转轴上，所述的平衡锤连接在双梁平衡轴的另一端，所述的第一砝码加载杆设在刀口转臂上，同时还设在双梁平衡轴连接平衡锤的一端，所述的滑轮设在双梁平衡轴上，所述的竖向循环加载用定滑轮支架与滑轮设在同一竖直面上；

所述的模型箱用于装填试验用土体，试验用土体中埋置模型基础；

所述的竖向循环加载配套装置包括双梁加载架、活塞外筒、加载平台及内柱，进行竖向循环加载模拟试验时，所述的双梁加载架安装在模型箱上，所述的活塞外筒安装在双梁加载架上，所述的内柱插接在活塞外筒中，且上下两端分别与加载平台及模型基础连接，加载平台通过钢丝绳绕过竖向循环加载用定滑轮支架后，与滑轮连接；

所述的水平循环加载配套装置包括水平向循环加载用定滑轮支架，进行水平向循环加载模拟试验时，模型基础的顶端的一侧通过钢丝绳与滑轮水平连接，另一侧通过钢丝绳绕过水平向循环加载用定滑轮支架上的定滑轮后连接第二砝码加载杆。

所述的底座包括固定底座于地面的定位螺孔、固定支架的定位螺孔，所述的底座及定位螺孔采用钢结构制作。

所述的固定支架包括两根固定于底座上的方钢管，所述的方钢管上预留固定转轴的螺孔。

所述的竖向循环加载用定滑轮支架包括固定于底座上的四根支腿及固定于四根支腿上的两根横杆，两根横杆上分别设有两根竖杆，两根竖杆之间设有固定定滑轮的中间转杆，所述的横杆与竖杆之间设有斜撑。

所述的双梁平衡轴上设有多个定位螺孔，所述的转轴通过两个定位螺孔与双梁平衡轴连接，所述的电机通过上下对穿螺孔与双梁平衡轴的一端连接，所述的平衡锤由两根螺杆和定位螺孔安装于双梁平衡轴另一端上，所述的刀口转臂由定位螺丝安装于电机的转轴上，所述的第一砝码加载杆通过定位螺孔安装于双梁平衡轴连接平衡锤的一端及刀口转臂上，所述的滑轮设在双梁平衡轴上。

所述的双梁加载架包括两根平行的钢管及连接在两根钢管之间的钢板，所述的钢板中间开孔，用于固定活塞外筒，钢板上预留位移传感器定位孔。

所述的第一砝码加载杆与第二砝码加载杆结构相同，均包括一根带螺孔的螺杆及与螺杆相连的托盘。

所述的模型箱包括角钢骨架、有机玻璃和加固角钢，所述的角钢骨架的左右两面通过有机玻璃密封成型，所述的加固角钢设置在角钢骨架的中间部位。

还包括位移传感器，所述的位移传感器上端挂在加载平台上，中部穿过双梁加载架，下端伸入到模型箱中。

本试验系统的工作过程：在模型箱中装填试验用土体，土体中埋置试验模型基础，可以进行单桩、群桩、沉井基础和沉井加桩复合基础的模型试验，试验开始时刀口转臂转到与双轴平衡梁垂直的位置，竖向循环加载模型试验时，钢丝绳一端连接双轴平衡梁上的定滑轮，另一端通过竖向循环加载用定滑轮支架后，连接加载平台上的钢环，按照设计循环幅值在刀口转臂、双轴平横梁、加载平台上配重一定大小的砝码，然后调节平衡锤，使得双轴平衡梁水平，这时模型基础顶荷载为零，然后设置加载频率，开动电机，刀口转臂在转动的过程中双轴平衡梁为保持平衡，在钢丝绳上会产生附加力，附加力与加载平台上配重砝码的差值即为模型基础顶的循环荷载幅值，试验时，通过采集器与模型基础的传感器连接，并与计算机连接，即可即时记录竖向循环加载期间模型基础承载变形数据。水平向循环加载试验时，领取钢丝绳一端连接双轴平衡梁上的定滑轮，另一端直接连接模型基础顶端上的钢环，模型基础的顶端的另一侧通过钢丝绳绕过水平向循环加载用定滑轮支架上的定滑轮后连接第二砝码加载杆，其双轴平衡梁调平，循环加载幅值设计，数据采集原理与竖向循环加载试验相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

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，能够模拟竖向及水平向循环荷载加载工况，且能进行精确自平衡，能进行长期循环加载。

附图说明

图1为长期循环荷载加载装置立体结构示意图；

图2为长期循环荷载加载装置水平结构示意图；

图3为模型箱与竖向循环加载配套装置配合的结构示意图；

图4为竖向循环加载配套装置的结构示意图；

图5为模型箱与水平循环加载配套装置配合的结构示意图；

图6为水平循环加载配套装置的结构示意图；

图7为竖向循环加载用定滑轮支架的结构示意图；

图8为双梁加载架的结构示意图；

图9为模型箱的平面结构图；

图10为模型箱的立面结构图。

图中：1、底座；2、固定支架；3、转轴；4、竖向循环加载用定滑轮支架；5、双梁平衡轴；6、电机；7、平衡锤；8、刀口转臂；9、第一砝码加载杆；10、滑轮；11、角钢骨架；12、有机玻璃；13、双梁加载架；14、加载平台；15、水平向循环加载用定滑轮支架；16、模型基础；17、活塞外筒；18、内柱；19、第二砝码加载杆；20、位移传感器。

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

一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，包括长期循环荷载加载装置、模型箱、竖向循环加载配套装置及水平循环加载配套装置；

如图1、图2所示，长期循环荷载加载装置包括底座1、固定支架2、转轴3、竖向循环加载用定滑轮支架4、双梁平衡轴5、电机6、平衡锤7、刀口转臂8、第一砝码加载杆9及滑轮10，固定支架2固定在底座1上，转轴3安装在固定支架2上，双梁平衡轴5的中部与转轴3固定连接，电机6设在双梁平衡轴5的一端，刀口转臂8连接在电机6的转轴上，平衡锤7连接在双梁平衡轴5的另一端，第一砝码加载杆9设在刀口转臂8上，同时还设在双梁平衡轴5连接平衡锤7的一端，滑轮10设在双梁平衡轴5上，竖向循环加载用定滑轮支架4与滑轮10设在同一竖直面上；

模型箱用于装填试验用土体，试验用土体中埋置模型基础16；

如图3、图4所示，竖向循环加载配套装置包括双梁加载架13、活塞外筒17、加载平台14及内柱18，进行竖向循环加载模拟试验时，双梁加载架13安装在模型箱上，活塞外筒17安装在双梁加载架13上，内柱18插接在活塞外筒17中，且上下两端分别与加载平台14及模型基础16连接，加载平台14通过钢丝绳绕过竖向循环加载用定滑轮支架4后，与滑轮10连接；

如图5、图6所示，水平循环加载配套装置包括水平向循环加载用定滑轮支架15，进行水平向循环加载模拟试验时，模型基础16的顶端的一侧通过钢丝绳与滑轮10水平连接，另一侧通过钢丝绳绕过水平向循环加载用定滑轮支架15上的定滑轮后连接第二砝码加载杆19；

参考图3，本系统还包括位移传感器20，位移传感器上端挂在加载平台14上，中部穿过双梁加载架13，下端伸入到模型箱中。

底座1包括固定底座1于地面的定位螺孔、固定支架2的定位螺孔，底座1及定位螺孔采用钢结构制作。底座1为长1500mm，宽900mm，厚12mm的钢板。

固定支架2采用两根高500mm的边长为60mm方钢管制作，钢管底部采用6mm螺栓与底座固定。

如图7所示，竖向循环加载用定滑轮支架4包括固定于底座1上的四根支腿及固定于四根支腿上的两根横杆，两根横杆上分别设有两根竖杆，两根竖杆之间设有固定定滑轮的中间转杆，横杆与竖杆之间设有斜撑。竖向循环加载用定滑轮支架4的四根支腿为左右对称布置的高500mm的40mm方钢管，方钢管间距200mm，采用6mm螺栓固定在底座上，两根横杆采用长300mm的40mm方钢管，竖杆采用长400mm的40mm方钢管，斜撑采用长150mm的40mm方钢管，中间转杆为长450mm的直径20mm的螺杆。

双梁平衡轴5上设有多个定位螺孔，转轴3通过两个定位螺孔与双梁平衡轴5连接，电机6通过上下对穿螺孔与双梁平衡轴5的一端连接，平衡锤7由两根螺杆和定位螺孔安装于双梁平衡轴5另一端上，刀口转臂8由定位螺丝安装于电机6的转轴上，第一砝码加载杆9通过定位螺孔安装于双梁平衡轴连接平衡锤7的一端及刀口转臂8上，滑轮10设在双梁平衡轴5上，滑轮10与左右两根长80mm、直径6mm螺杆焊接后安装到长300mm、宽40mm、厚8mm的钢板上，钢板用铸铁卡扣固定在双梁平衡轴5上。双梁平衡轴5由两根长2000mm、边长80mm的方管制作，前端上下焊接长360mm，宽100mm，厚8mm钢板，并预留25mm螺孔，安装功率100W、频率50Hz的电机6，后端焊接长500mm并左右带成90度且长200mm的80mm方钢管，方钢管端部预留12mm螺孔；平衡锤7重5kg，直径10mm，长15mm，中心预留12mm螺孔，左右各一个，采用长200mm，直径12mm的螺杆，安装在双梁平衡轴5端部的螺孔上。刀口转臂8采用长500mm的40mm方钢管制作，一端预留有25mm与电机6转轴相连的对穿螺孔，一端预留6mm与第一砝码加载杆9相连的对穿螺孔；

如图8所示，双梁加载架13由两根平行的长800mm的60mm方钢管及连接在两根钢管之间边长280mm的方钢板组成，双梁中心间距250mm，方钢板居双梁中心布置，采用6mm螺栓固定，方钢板上对称预留四个直径20mm圆孔，用于安装位移传感器，钢板中心开直径38mm圆孔，用于固定活塞外筒17，将高70mm、壁厚3mm、内径32mm的活塞外筒17居中焊接在钢板上；加载平台14采用方钢板形成，方钢板边长250mm、厚4mm，内柱18为直径30mm、长150mm的钢柱。

参考图6，水平循环加载用定滑轮支架15由角钢支架、螺杆组成，角钢采用三根分别长600mm、300mm、200mm的4mm后角钢焊接而成，角钢顶部预留20mm螺孔，螺杆采用长800mm、直径20mm带定滑轮螺杆，安装到角钢上的螺孔内；模型基础16顶部预留12mm螺孔或者焊接直径20mm钢环，与其他构件拼装。

第一砝码加载杆9与第二砝码加载杆19结构相同，均由一根长200mm、直径6mm带螺孔的螺杆及与螺杆相连的直径80mm且中心预留6mm螺孔的托盘拼装而成。

如图9、图10所示，模型箱包括角钢骨架11、有机玻璃12和加固角钢，角钢骨架11的左右两面通过有机玻璃12密封成型，加固角钢设置在角钢骨架11的中间部位。模型箱长900mm、宽700mm、高700mm。角钢骨架11由8mm厚角钢焊接而成，8mm厚钢板与角钢骨架焊接，有机玻璃12厚度为10mm，与角钢骨架采用A级胶密封粘贴。

参考图1、图3、图5，本试验系统的工作过程：在模型箱中装填试验用土体，土体中埋置试验模型基础，可以进行单桩、群桩、沉井基础和沉井加桩复合基础的模型试验，试验开始时刀口转臂转到与双轴平衡梁垂直的位置，竖向循环加载模型试验时，钢丝绳一端连接双轴平衡梁上的定滑轮，另一端通过竖向循环加载用定滑轮支架后，连接加载平台上的钢环，按照设计循环幅值在刀口转臂、双轴平横梁、加载平台上配重一定大小的砝码，然后调节平衡锤，使得双轴平衡梁水平，这时模型基础顶荷载为零，然后设置加载频率，开动电机，刀口转臂在转动的过程中双轴平衡梁为保持平衡，在钢丝绳上会产生附加力，附加力与加载平台上配重砝码的差值即为模型基础顶的循环荷载幅值，试验时，通过采集器与模型基础的传感器连接，并与计算机连接，即可即时记录竖向循环加载期间模型基础承载变形数据。水平向循环加载试验时，领取钢丝绳一端连接双轴平衡梁上的定滑轮，另一端直接连接模型基础顶端上的钢环，模型基础的顶端的另一侧通过钢丝绳绕过水平向循环加载用定滑轮支架上的定滑轮后连接第二砝码加载杆，其双轴平衡梁调平，循环加载幅值设计，数据采集原理与竖向循环加载试验相同。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，包括长期循环荷载加载装置、模型箱、竖向循环加载配套装置及水平循环加载配套装置；

所述的长期循环荷载加载装置包括底座(1)、固定支架(2)、转轴(3)、竖向循环加载用定滑轮支架(4)、双梁平衡轴(5)、电机(6)、平衡锤(7)、刀口转臂(8)、第一砝码加载杆(9)及滑轮(10)，所述的固定支架(2)固定在底座(1)上，所述的转轴(3)安装在固定支架(2)上，所述的双梁平衡轴(5)的中部与转轴(3)固定连接，所述的电机(6)设在双梁平衡轴(5)的一端，所述的刀口转臂(8)连接在电机(6)的转轴上，所述的平衡锤(7)连接在双梁平衡轴(5)的另一端，所述的第一砝码加载杆(9)设在刀口转臂(8)上，同时还设在双梁平衡轴(5)连接平衡锤(7)的一端，所述的滑轮(10)设在双梁平衡轴(5)上，所述的竖向循环加载用定滑轮支架(4)与滑轮(10)设在同一竖直面上；

所述的模型箱用于装填试验用土体，试验用土体中埋置模型基础(16)；

所述的竖向循环加载配套装置包括双梁加载架(13)、活塞外筒(17)、加载平台(14)及内柱(18)，进行竖向循环加载模拟试验时，所述的双梁加载架(13)安装在模型箱上，所述的活塞外筒(17)安装在双梁加载架(13)上，所述的内柱(18)插接在活塞外筒(17)中，且上下两端分别与加载平台(14)及模型基础(16)连接，加载平台(14)通过钢丝绳绕过竖向循环加载用定滑轮支架(4)后，与滑轮(10)连接；

所述的水平循环加载配套装置包括水平向循环加载用定滑轮支架(15)，进行水平向循环加载模拟试验时，模型基础(16)的顶端的一侧通过钢丝绳与滑轮(10)水平连接，另一侧通过钢丝绳绕过水平向循环加载用定滑轮支架(15)上的定滑轮后连接第二砝码加载杆(19)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，所述的底座(1)包括固定底座(1)于地面的定位螺孔、固定支架(2)的定位螺孔。

3.根据权利要求1所述的一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，所述的固定支架(2)包括两根固定于底座上的方钢管，所述的方钢管上预留固定转轴的螺孔。

4.根据权利要求1所述的一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，所述的竖向循环加载用定滑轮支架(4)包括固定于底座(1)上的四根支腿及固定于四根支腿上的两根横杆，两根横杆上分别设有两根竖杆，两根竖杆之间设有固定定滑轮的中间转杆，所述的横杆与竖杆之间设有斜撑。

5.根据权利要求1所述的一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，所述的双梁平衡轴(5)上设有多个定位螺孔，所述的转轴(3)通过两个定位螺孔与双梁平衡轴(5)连接，所述的电机(6)通过上下对穿螺孔与双梁平衡轴(5)的一端连接，所述的平衡锤(7)由两根螺杆和定位螺孔安装于双梁平衡轴(5)另一端上，所述的刀口转臂(8)由定位螺丝安装于电机(6)的转轴上，所述的第一砝码加载杆(9)通过定位螺孔安装于双梁平衡轴连接平衡锤(7)的一端及刀口转臂(8)上，所述的滑轮(10)设在双梁平衡轴(5)上。

6.根据权利要求1所述的一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，所述的双梁加载架(13)包括两根平行的钢管及连接在两根钢管之间的钢板，所述的钢板中间开孔，用于固定活塞外筒(17)，钢板上预留位移传感器定位孔。

7.根据权利要求1所述的一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，所述的第一砝码加载杆(9)与第二砝码加载杆(19)结构相同，均包括一根带螺孔的螺杆及与螺杆相连的托盘。

8.根据权利要求1所述的一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，所述的模型箱包括角钢骨架(11)、有机玻璃(12)和加固角钢，所述的角钢骨架(11)的左右两面通过有机玻璃(12)密封成型，所述的加固角钢设置在角钢骨架(11)的中间部位。

9.根据权利要求1所述的一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，其特征在于，还包括位移传感器，所述的位移传感器上端挂在加载平台(14)上，中部穿过双梁加载架(13)，下端伸入到模型箱中。