CN104535738A - 离心模型试验侧向静力加荷装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

离心模型试验侧向静力加荷装置，由永磁低速同步电机、齿轮箱、蜗轮蜗杆和荷重传感器组成，所述永磁低速同步电机立式设置在齿轮箱上，永磁低速同步电机的输出，经齿轮箱内的齿轮减速后平行输出至蜗杆，涡轮轴水平设置，涡轮轴末端设有水平方向的荷重传感器。本发明能够模拟的侧向静力幅值大，持续稳定地施加侧向荷载；能够在加载同时测得侧向荷载-位移曲线；有利于土工离心模型的布置；本发明的操作十分安全，能够实现精确控制。

Description

离心模型试验侧向静力加荷装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种应用于土工离心机上的辅助装置，具体涉及一种可用于侧向静力加荷作用工况离心模型试验的装置，特别适用于模拟各种作用于土体和结构物上的横向荷载，如简化抗震分析侧向荷载、结构物上的风荷载、船舶系缆力、波浪荷载、冰荷载等，以开展这些横向荷载对土体和结构物影响的试验研究。

背景技术

侧向荷载在岩土工程中的影响越来越大。例如：随着海上石油的开发和大型船舶的出现，海洋桩基平台及外海孤立（桩基承台、墩）式码头得到广泛采用，这类结构的特点是埋入地基中的桩基顶部受到波浪力、冰压力等较大的水平荷载作用[王浩芬，李久旺 侧向荷载桩的非线性分析. 海洋工程，1989，7(2)：62-68]；多高层建筑结构抗震能力分析的简化结构弹塑性地震响应计算方法——Pushover方法，该方法使用渐增的一定分布的侧向荷载模拟在地震作用下结构层惯性力的分布[朱慈勉，应丹君. 竖向不规则结构Pushover分析的侧向荷载分布模式研究. 结构工程师，2009，25(2)：29-34]；抗侧力试验可以有效检验新型砌体结构抗震能力[龚进，周鲁敏. 带芯柱的新型砌体结构抗震墙抗侧力试验研究. 建筑技术，2010，41(5)：446-450、龚进，周鲁敏. 设置构造柱的新型砌体结构抗震墙的抗侧力试验研究. 工业建筑，2011，41(4)：30-33]；超高建筑物的设计中还必须进行风荷载分析等。

在土工离心模型中，侧向荷载的施加需要专用的辅助装置来完成，一个关键的技术难题是：侧向荷载的方向与重力垂直，在离心机高重力场作用下，机构将产生挠曲变形从而影响出力的效率，往往只能提供较小的荷载。

在过去的若干年里，许多学者对离心模型试验中的动力加载装置有了一定的研究。林小静等[林小静，张建红，孙国亮，鲁晓兵. 吸力式基础离心模型试验的动力加载装置. 中国造船，2003，44(S)：400-404] 研制了离心模型试验中施加侧向动荷载的装置。Allersma [Allersma H G B, Kirstein A A and Brinkgreve R B J. (1999): Centrifuge and numerical modeling of horizontally loaded suction piles. 9th. Int. Offshore and Polar Engineering Conference. ISOPE99. 1999. Vol. 1. Pp. 711~717]进行了吸力式基础的水平静承载力的离心模型试验。Randolph [Randolph M. F., O’Neill M. P., Stewart D. P., and Erbirch C. Performance of suction anchors in fine-grained calcareous soil. Paper OTC8831, Proc. Offshore Technology Conference, Houston, USA. 1998]进行了重塑土中吸力式基础水平动承载力试验，土样是取自澳大利亚和印尼之间Timor Sea海底的石灰质淤泥。Craig [C raig W. H. (1981): Cyclic loading equipment for offshore foundation model. Offshore Structures: The Use of Physical Models in Their Design, eds. Armer, G.S.T. and Garas, F.K. Construction Press. NY. 1981. 327~334]、Hjortnaes-Pedersen和Nelissen [Hjortnaes-Pedersen A.G.I. and Nelissen H.A.M. (1991): Application of hydraulic actuators in the Delft Geotechnics centrifuge. Centrifuge 91, H Y Ko & F G. Mclean (eds), Balkema, Rotterdam,, 1991, 385~390]介绍了用于浅基础的加载装置，荷载频率在10 Hz到30 Hz之间。Tan [Tan F S C. (l990): Centrifuge and theoretical modeling of conical footings on sand. Ph.D. Thesis, Cambridge University, Jan, 1990]采用伺服阀和定时机构控制的气压千斤顶施加水平荷载，最高频率为1 Hz。Dean [Dean E.T.R., Hsu Y.S., and Schofield A.N. (1993): Development of an new apparatus for centrifuge testing of offshore jackup platform models and data report for centrifuge test YSH1: 3-leg jackup model with flat spuds on dense watwe-saturated sand. Technical Report CUED/D-Soils/TR267. University of Cambridge, London. 1993]利用电动伺服马达驱动一个螺纹架前后移动施加水平动荷载，荷载频率为3 Hz。Ng [Ng T.G., Lee F.H., Liaw C.Y., and Chan E.S. (1994): Development of a dynamic loading device for model foundation. Proc. Of Int. Conference Centrifuge 94, Singapore/3l Aug.-2 Sept., 1994, 183~188]研制了一个电液伺服控制加载系统，可以对浅基础施加0.1 Hz~10 Hz的水平荷载。但以上研制的动力加载装置均侧重于对频率的控制，出力峰值均不大，如林小静等研制的装置出力峰值为98 N。

应用于离心模型试验的，能提供较大侧向静力荷载的装置罕见报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种离心模型试验试验侧向静力加荷装置，旨在解决离心机高重力加速度场下的以下关键问题：1，现有技术只能模拟侧向动态力；2，现有技术只能模拟小幅值的侧向力；3，现有技术难以实现精确控制。本发明还将提供这种离心模型试验侧向静力加荷装置的测试方法。

完成上述发明任务的技术方案是：离心模型试验侧向静力加荷装置，由永磁低速同步电机、齿轮箱、蜗轮蜗杆和荷重传感器组成，所述永磁低速同步电机立式设置在齿轮箱上，永磁低速同步电机的输出，经齿轮箱内的齿轮减速后平行输出至蜗杆，涡轮轴水平设置，涡轮轴末端设有水平方向的荷重传感器。

上述技术方案中，永磁低速同步电机作为驱动源，经齿轮箱和蜗轮蜗杆的机械减速和螺旋升降结构传递荷载，实现等应变速率模式通过涡轮轴施加水平力，安装在涡轮轴上的荷重传感器准确测量所施加的水平力。

作为本发明的进一步改进，所述离心模型试验侧向静力加荷装置还设有导向支座， 所述导向支座竖直设置，荷重传感器支撑于导向支座之上。导向支座托住荷重传感器，避免涡轮轴在高重力场中受传感器自重而产生的过大桡度。

作为本发明的进一步改进，所述离心模型试验侧向静力加荷装置还设有控制系统，所述控制系统包括单片机，用于采集荷重传感器的数据，控制永磁低速同步电机的加荷速率，以恒定加荷速率（等应变速率控制模式）工作。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是：使用上述离心模型侧向静力加荷装置的测试方法，步骤如下：

⑴.首先确定需要模拟的侧向力幅值，按离心模型试验相似率进行换算；

⑵.制备模型，安装本装置，将电源线、传感器线通过离心机滑环连接至控制室内；

⑶.启动电机，调整涡轮轴和荷重传感器的位置，使其处于模型的附近后关闭电机；

⑷.在离心机高重力场下，启动电机，驱动涡轮轴和荷重传感器向模型匀速运动（等应变速率模式），接触模型后，荷重传感器开始记录施加的侧向静力荷载，根据应变速率计算模型在荷载下的位移，得到侧向荷载-位移曲线，直至试验结束。

换言之，本项发明是通过以下关键技术得以实现：

1. 本装置由以下部分组成：永磁低速同步电机、齿轮箱、蜗轮蜗杆、涡轮轴、荷重传感器、导向支座。

2. 永磁低速同步电机作为驱动源，经齿轮箱和蜗轮蜗杆的机械减速和螺旋升降结构传递荷载，实现等应变速率模式通过涡轮轴施加水平力，安装在涡轮轴上的荷重传感器准确测量所施加的水平力，导向支座托住荷重传感器，避免涡轮轴在高重力场中受传感器自重而产生的过大桡度。

3. 试验时，将本发明装置安装于模型上，调整涡轮轴和荷重传感器的位置，使其处于模型的附近。

4. 在离心机高重力场下，启动电机，对模型施加侧向静力荷载，记录侧向荷载-位移曲线，直至试验结束。

本发明的装置与方法具有以下特点：

1. 能在离心机高重力场下正常运行；有利于土工离心模型的布置；本发明的操作十分安全；本发明能够实现精确控制。

2. 能够提供较大幅值的侧向静力，最大侧向推力是15 kN。

3. 采用应变式控制法，能够持续稳定地对试验研究目标施加侧向荷载，等应变加载速率是1.2 mm/min。

4. 能够即时测得侧向荷载-位移曲线。

本发明能够模拟的侧向静力幅值大；采用应变式控制，能够持续稳定地施加侧向荷载；能够在加载同时测得侧向荷载-位移曲线；有利于土工离心模型的布置；本发明的操作十分安全；本发明能够实现精确控制。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图。

具体实施方式

实施例1

请参见附图1所示，离心模型试验侧向静力加荷装置10由永磁低速同步电机1、齿轮箱2、蜗轮蜗杆3、荷重传感器4、导向支座5和控制系统8组成。永磁低速同步电机1立式设置在齿轮箱上2，永磁低速同步电机1的输出，经齿轮箱2内的齿轮减速后平行输出至蜗杆，涡轮轴31水平设置，涡轮轴31末端设有水平方向的荷重传感器4。导向支座5竖直设置，荷重传感器4支撑于导向支座5之上。

控制系统8，包括单片机，用于采集荷重传感器的数据，控制永磁低速同步电机的加荷速率，以恒定加荷速率（等应变速率控制模式）工作。

永磁低速同步电机1作为驱动源，经齿轮箱2和蜗轮蜗杆3的机械减速和螺旋升降结构传递荷载，实现等应变速率模式通过涡轮轴施加水平力，安装在涡轮轴31上的荷重传感器4准确测量所施加的水平力，导向支座5托住荷重传感器，避免涡轮轴31在高重力场中受传感器自重而产生的过大桡度。

离心模型试验侧向静力加荷测试方法，包括以下步骤：

（1）试验时确定需要模拟的侧向力幅值，按离心模型试验相似率进行换算；（2）制备模型，安装本设备，将电源线、传感器线通过离心机滑环连接至控制室内；（3）启动电机，调整传力杆和荷重传感器的位置，使其处于模型的附近后关闭电机；（4）开启离心机，施加高重力场；启动电机，驱动传力杆和荷重传感器向模型匀速运动（等应变速率模式），接触模型后，荷重传感器开始记录施加的侧向静力荷载，根据应变速率计算模型在荷载下的位移，得到侧向荷载-位移曲线，直至试验结束。

Claims (4)

1. 离心模型试验侧向静力加荷装置，由永磁低速同步电机、齿轮箱、蜗轮蜗杆和荷重传感器组成，其特征是，所述永磁低速同步电机立式设置在齿轮箱上，永磁低速同步电机的输出，经齿轮箱内的齿轮减速后平行输出至蜗杆，涡轮轴水平设置，涡轮轴末端设有水平方向的荷重传感器。

2. 根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述离心模型试验侧向静力加荷装置还设有导向支座， 所述导向支座竖直设置，荷重传感器支撑于导向支座之上。

3. 根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述离心模型试验侧向静力加荷装置还设有控制系统，所述控制系统包括单片机，用于采集荷重传感器的数据，控制永磁低速同步电机的加荷速率，以恒定加荷速率工作。

4. 根据权利要求1所述的装置的测试方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1 首先确定需要模拟的侧向力幅值，按离心模型试验相似率进行换算；

步骤2制备模型，安装本装置，将电源线、传感器线通过离心机滑环连接至控制室内；

步骤3启动电机，调整涡轮轴和荷重传感器的位置，使其处于模型的附近后关闭电机；

步骤4在离心机高重力场下，启动电机，驱动涡轮轴和荷重传感器向模型匀速运动，接触模型后，荷重传感器开始记录施加的侧向静力荷载，根据应变速率计算模型在荷载下的位移，得到侧向荷载-位移曲线，直至试验结束。