CN104732867B - 一种板桩码头模型实验教学系统 - Google Patents

Abstract

一种板桩码头模型实验教学系统，包括实验台、板桩墙、拉杆、锚碇板、帽梁、面板和回填材料组成的板桩码头模型；位移传感器、振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计及相应采集装置组成的采集系统；可三维显示板桩码头模型及采集系统布置，并能根据实验工况生成实验数据曲线的板桩码头可视化软件。还包括由自控行车、行车轨道以及滚轮导向轨组成的垂直加载装置，由作动器和振弦式反力计组成的水平加载系统。本发明实现学生在实验室内做板桩码头模型实验，掌握板桩码头结构组成和受力特性，具有良好的教学应用前景。

Description

一种板桩码头模型实验教学系统

技术领域

本发明涉及板桩码头模型实验教学系统，属于教学模型技术领域。

背景技术

建国以来，中国港口已经过五个发展时期的建设发展，国家深刻意识到港口建设在国民经济中占据重要地位。在各类港口建设中，板桩码头普遍应用于长三角、珠三角、环渤海以及内河港口建设。

如今诸多高校开设港口水工建筑物课程，其中，板桩码头相关课程成为教学环节的重要部分。高校学生在学习板桩码头书本理论知识时，无法对码头结构及构件有直观认真，需要去现场观察、了解板桩码头实物的结构组成，进一步掌握板桩码头的各部分组成结构和受力特性。学生去现场实习受到人力、物力、安全的局限性。同时，由于码头生产的安全性和局限性，学生无法对水下构件和埋设构件结构进行了解，无法对板桩码头的受力分析有形象、直观认识。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种板桩码头模型实验教学系统，学生通过该板桩码头模型实验教学系统，在实验室内做板桩码头模型实验，掌握板桩码头结构组成和受力特性。

一种板桩码头模型实验教学系统，其特征是包括板桩码头模型、用于采集数据的采集系统和安装有板桩码头可视化软件的计算机，

所述板桩码头模型包括实验台、板桩墙、若干根拉杆、若干个锚碇板、帽梁、面板和回填材料，所述实验台设置有内陷的实验池，所述板桩墙的底部嵌入到实验池底部，板桩墙的顶部设置有帽梁，所述板桩墙一侧的实验池中填装有回填材料，所述回填材料与实验池等高度，所述面板安放在回填材料上并与帽梁接触，所述面板上摆放有用于垂直加载的自控行车，所述实验台设置有对帽梁水平加载的作动器，所述锚碇板和拉杆均埋在回填材料中，拉杆的一端与对应的锚碇板固定，另一端与板桩墙固定；

所述采集系统包括若干个用于测定板桩墙加载前后水平位移的位移传感器、若干个用于测定板桩墙空载和加载工况下应变计频率值的振弦式应变计、若干个用于测定板桩墙空载和加载工况下土压力计频率值的振弦式土压力计、若干个用于调试实验前拉杆拉力值的紧张器、若干个用于测定拉杆钢筋计频率值的振弦式钢筋计和用于测定板桩码头模型反力计频率值的振弦式反力计，所述若干个位移传感器分别通过导线连接到数字位移计，所述数字位移计连接到计算机，所述若干个振弦式应变计、若干个紧张器、若干个振弦式钢筋计、若干个振弦式土压力计和若干个振弦式反力计分别通过导线连接到采点箱，所述采点箱通过振弦频率仪连接到计算机。

所述计算机内安装有可三维显示板桩码头模型及采集系统布置，并能根据实验工况生成实验数据曲线的板桩码头可视化软件。

所述每根拉杆均由两根或多根拉杆段对接而成，相邻对接的拉杆段通过紧张器连接固定，紧张器调节每根拉杆在实验前的拉力值相等；所述每根拉杆上均安装有振弦式钢筋计；所述每根拉杆均贯穿过板桩墙，且贯穿过板桩墙的一端均设置有导梁。

所述若干个位移传感器、若干个振弦式应变计和若干个振弦式土压力计分别垂直相间与板桩墙安装固定。

所述面板上设置有行车轨道，所述自控行车安装在行车轨道中，所述自控行车能够在行车轨道中行走，所述行车轨道的两端设置有滚轮，所述实验台上设置有滚轮导向轨，所述滚轮置于滚轮导向轨中，所述滚轮能够在所述滚轮导向轨中滚动。

所述实验池中设置有倾斜的回填坡，所述回填坡的底部与实验池底部固定，顶部与实验池侧壁固定，所述回填材料中还设置有倒滤层，所述倒滤层的下端与回填坡接触，上端与板桩墙接触。

所述作动器和振弦式反力计均通过反力架与实验台固定。

所述若干个位移传感器和若干个振弦式应变计沿高程方向等间距安装固定在板桩墙未与回填材料接触的一侧表面，若干个振弦式土压力计在制作板桩墙的过程中沿高程方向等间距安装固定在板桩墙与回填材料接触的一侧表面，若干个振弦式钢筋计在制作板桩码头模型的过程中安装固定在拉杆表面。

所述板桩墙上还设置有导线汇总盒，所述位移传感器通过导线汇总盒连接到数字位移计，所述振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计和振弦式反力计通过导线汇总盒连接到采点箱。

所述板桩码头可视化软件包括实验介绍模块、三维模型模块、实验数据模块及系统管理模块，所述板桩码头可视化软件通过计算机显示器显示。

所述回填材料选用泥土或沙。

本发明，计算机中安装有板桩码头可视化软件，板桩码头可视化软件由实验介绍模块、三维模型模块、实验数据模块和系统管理模块组成，能够直观、动态、三维地观察板桩码头结构，掌握板桩码头结构组成和受力特性，以及进行相应的实验数据处理与分析。

本发明在制作板桩墙的过程中，在板桩墙与回填材料接触的一侧表面沿高程方向安装固定振弦式土压力计，且在建造到一定高度后，拉杆从预留通孔中穿过，并在穿过板桩墙的一侧设置导梁，在板桩墙未与回填材料接触的一侧表面表面沿高程方向安装固定若干个位移传感器和振弦式应变计，板桩墙的顶部安装设置有帽梁。板桩墙的一侧用泥土或沙作为回填材料进行回填，在回填材料内部设置倒滤层，面板直接放置在回填材料上，在回填过程中，在合适的高度，制作锚碇板，拉杆伸入泥土的一端用锚碇板固定，在拉杆上安装设置振弦式钢筋计和紧张器。在实验台的反力架上安装固定由作动器和振弦式反力计组成的水平加载系统。

本发明中的位移传感器、振弦式应变计、振弦式土压力计、振弦式钢筋计、振弦式反力计的导线均汇总到设置在板桩墙上的导线汇总盒中，位移传感器通过导线汇总盒连接到数字位移计，振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计、振弦式反力计通过导线汇总盒连接到采点箱，采点箱与振弦频率仪连接，数字位移计和振弦频率仪连接到计算机。

本发明的实验过程中，水平加载系统作为水平方向的加载元件，自控行车作为垂直方向的加载元件，自控行车在行车轨道上行走，板桩墙上的位移传感器、振弦式应变计和振弦式土压力计采集各自对应位置的受力情况，以及因受力引起的参数变化。拉杆用以抵抗板桩墙受到的侧向土压力，并且拉杆上设置的若干个振弦式钢筋计能够测定自控行车在运动加载过程中，拉杆上的受力情况。

本发明的有益效果：

本发明提供一种能够较为全面的板桩码头模型实验教学系统，能同时检测板桩墙在加载过程中的受力，以及拉杆的受力，采集大量数据，能够较为系统、准确地了解到动态加载过程中，各处的受力情况，以及方便进行相应的实验数据处理和受力分析。

所述位移传感器在未与回填材料接触的一侧表面沿高程方向安装在板桩墙上，用于测定板桩墙在加载前后的水平位移；所述振弦式应变计在未与回填材料接触的一侧表面沿高程方向粘贴在板桩墙上，用于测定板桩码头模型相应点在空载和加载各工况下的应变计频率值；所述振弦式钢筋计在制作本发明模型时已经安装固定在拉杆上，用于测定拉杆上相应测点在各工况下的钢筋计频率值；所述振弦式土压力计在制作本发明模型时，已经在与回填材料接触的一侧表面沿高程方向安装固定于板桩墙上，用于测定相应测点在各工况下的土压力计频率值；振弦式反力计安装在实验台的反力架上，用于测定板桩码头模型在各工况下的反力计频率值。

导线汇总盒用于将位移传感器、振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计和振弦式反力计的所有导线汇集到一固定盒中，方便对各测量仪器的导线进行编号管理。位移传感器通过导线汇总盒与数字位移计连接，数字位移计用于采集、存储位移传感器的位移值数据；振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计和振弦式反力计通过导线汇总盒与采点箱连接，采点箱上有采集通道，各个通道编号对应板桩码头模型上相应测点的振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计和反力架上的振弦式反力计，用于采集、存储振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计和振弦式反力计的频率值数据。采点箱与振弦频率仪连接，数字位移计和振弦频率仪分别用于将采点箱采集、存储的位移值数据和频率值数据传输给计算机，方便学生进行数据处理。所述计算机作为载体，用于安装板桩码头可视化软件，方便学生操作。板桩码头可视化软件用于对板桩码头模型和实验数据进行可视化操作。

自控行车可通过行车轨道移动到板桩码头模型面板上各个测点进行垂直加载实验；所述水平加载系统由作动器和振弦式反力计组成，用于对板桩码头模型施加水平荷载。

板桩码头可视化软件为我单位针对板桩码头模型实验专门开发的教学软件，其中包括实验介绍、三维模型、实验数据及系统管理模块，通过电脑界面显示，点击某一模块后，可显示相关内容。实验介绍模块包括实验目的、实验内容、实验步骤、实验仪器、实验要求以及实验注意事项子模块；三维模型模块通过三维仿真模型显示码头结构组成及传感器布置，可实现板桩码头三维模型平移、旋转，上述平移利用鼠标改变板桩码头模型在屏幕上的位置，上述旋转利用鼠标控制模型的旋转角度；实验数据模块进一步包括原始数据显示、拉杆轴力曲线图、位移曲线图、弯矩曲线图、土压力曲线图等子模块，用于将实验数据统计于表格中显示，并绘制出相应的曲线图；系统管理模块，包括部分模块加密和部分数据加密子模块，用于方便老师实施教学管理，可通过系统管理模块，对其他部分模块和数据进行适当加密。

附图说明

图1是本发明掀开面板的俯视结构示意图，

图2是图1中的A向局部剖视结构示意图，

附图标记：1—实验台，2—面板，3—振弦式钢筋计，4—拉杆，5—板桩墙，6—导线汇总盒，7—采点箱，8—振弦频率仪，9—数字位移计，10—水平加载系统，11—行车轨道，12—自控行车，13—锚碇板，14—滚轮，15—滚轮导向轨，16—实验池，17—导梁，18—帽梁，19—位移传感器，20—振弦式应变计，21—振弦式土压力计，22—回填材料，23—紧张器，24—倒滤层，25—计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明掀开面板的俯视结构示意图，由图可见，本板桩码头模型实验教学系统，在实验台1的上方设置有面板2，面板2下方是内陷在实验台1中的实验池16，面板2上设置有自控行车12和行车轨道11，行车轨道11横跨在面板2上方，所述自控行车12安装在行车轨道11上，行车轨道11的两端设置有滚轮14，所述实验台1上设置有滚轮导向轨15，所述滚轮14置于滚轮导向轨15中，并能够在滚轮导向轨15中滚动。本发明在实验中，自控行车12在行车轨道11上行走，同时，通过配合滚轮14在滚轮导向轨15中滚动，能够让自控行车12在面板2上的任意位置进行垂直加载实验。

图2是图1中的A向局部剖视结构示意图，由图2可见，实验池16内靠近实验池16的一侧内壁设置有板桩墙5，板桩墙5的一侧填装有回填材料22，所述回填材料22内部设置有倒滤层24，所述倒滤层24的下端与回填坡接触，所述倒滤层24的上端与板桩墙5接触，设置回填坡用于模拟板桩码头现场回填材料22倾斜分布，设置倒滤层24可以减少回填材料22流失。所述回填材料22中安装固定有若干根拉杆4，所述拉杆4安装设置有振弦式钢筋计3和紧张器23，所述每根拉杆4的一端均贯穿通过板桩墙5，另一端与设置在回填材料22中的锚石碇板13固定连接。所述板桩墙5设置有若干个位移传感器19、振弦式应变计20和振弦式土压力计21。回填材料22对板桩墙5有侧向土压力作用，板桩墙5在拉杆4拉力作用与侧向土压力共同作用下处于平衡状态，在实验过程中，振弦式钢筋计3采集拉杆4上的实验受力数据，位移传感器19、振弦式应变计20和振弦式土压力计21采集板桩墙5上的实验受力数据，通过将数据传输给计算机25，并通过计算机25内安装的板桩码头可视化软件，绘制得到拉杆4轴力曲线图、板桩墙5位移曲线图、弯矩曲线图和土压力曲线图。

所述面板2放置在回填材料22上，所述板桩墙5的顶部设置有帽梁18。所述拉杆4贯穿通过板桩墙5的一端均设置有导梁17，导梁17能使板桩墙5较为均匀受到拉杆拉力，同时也避免拉杆4从板桩墙5中脱离。

所述若干个振弦式土压力计21在制作板桩墙5的过程中在与回填材料22接触的一侧表面沿高程方向安装固定在板桩墙5上，若干个振弦式钢筋计3在安装拉杆4的过程中安装固定在拉杆4上，若干个位移传感器19与振弦式应变计20在未与回填材料22接触的一侧表面沿高程方向安装在板桩墙5上，位移传感器19和振弦式应变计20能分别采集板桩墙5不同高度的受力数据。

本发明还包括由作动器和振弦式反力计组成的水平加载系统10，所述作动器和振弦式反力计均安装固定在实验台1的反力架上。

所述板桩墙5还设置有导线汇总盒6，所述位移传感器19通过导线汇总盒6连接到数字位移计9；所述振弦式应变计20、振弦式钢筋计3、振弦式土压力计21、振弦式反力计通过导线汇总盒6连接到采点箱7，采点箱7与振弦频率仪8连接，所述数字位移计9和振弦频率仪8连接到计算机25。通过导线汇总盒6能有效让本发明中各测量仪器的导线更加条理清晰，通过计算机25中板桩码头可视化软件处理实验数据，能直接得到各实验数据的曲线图，便于学习和分析。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.一种板桩码头模型实验教学系统，其特征是包括板桩码头模型、用于采集数据的采集系统和安装有板桩码头可视化软件的计算机，

所述板桩码头模型包括实验台、板桩墙、若干根拉杆、若干个锚碇板、帽梁、面板和回填材料，所述实验台设置有内陷的实验池，所述板桩墙的底部嵌入到实验池底部，板桩墙的顶部设置有帽梁，所述板桩墙一侧的实验池中填装有回填材料，所述回填材料与实验池等高度，所述面板安放在回填材料上并与帽梁接触，所述面板上摆放有用于垂直加载的自控行车，所述实验台设置有对帽梁水平加载的作动器，所述锚碇板和拉杆均埋在回填材料中，拉杆的一端与对应的锚碇板固定，另一端与板桩墙固定；

所述采集系统包括若干个用于测定板桩墙加载前后水平位移的位移传感器、若干个用于测定板桩墙空载和加载工况下应变计频率值的振弦式应变计、若干个用于测定板桩墙空载和加载工况下土压力计频率值的振弦式土压力计、若干个用于调试实验前拉杆拉力值的紧张器、若干个用于测定拉杆钢筋计频率值的振弦式钢筋计和用于测定板桩码头模型反力计频率值的振弦式反力计，所述若干个位移传感器分别通过导线连接到数字位移计，所述数字位移计连接到计算机，所述若干个振弦式应变计、若干个紧张器、若干个振弦式钢筋计、若干个振弦式土压力计和若干个振弦式反力计分别通过导线连接到采点箱，所述采点箱通过振弦频率仪连接到计算机；

所述计算机内安装有可三维显示板桩码头模型及采集系统布置，并能根据实验工况生成实验数据曲线的板桩码头可视化软件。

2.根据权利要求1所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述每根拉杆均由两根或多根拉杆段对接而成，相邻对接的拉杆段通过紧张器连接固定，紧张器调节每根拉杆在实验前的拉力值相等；所述每根拉杆上均安装有振弦式钢筋计；所述每根拉杆均贯穿过板桩墙，且贯穿过板桩墙的一端均设置有导梁。

3.根据权利要求2所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述若干个位移传感器、若干个振弦式应变计和若干个振弦式土压力计分别垂直相间与板桩墙安装固定。

4.根据权利要求3所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述面板上设置有行车轨道，所述自控行车安装在行车轨道中，所述自控行车能够在行车轨道中行走，所述行车轨道的两端设置有滚轮，所述实验台上设置有滚轮导向轨，所述滚轮置于滚轮导向轨中，所述滚轮能够在所述滚轮导向轨中滚动。

5.根据权利要求4所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述实验池中设置有倾斜的回填坡，所述回填坡的底部与实验池底部固定，顶部与实验池侧壁固定，所述回填材料中还设置有倒滤层，所述倒滤层的下端与回填坡接触，上端与板桩墙接触。

6.根据权利要求5所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述作动器和振弦式反力计均通过反力架与实验台固定。

7.根据权利要求6所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述若干个位移传感器和若干个振弦式应变计沿高程方向等间距安装固定在板桩墙未与回填材料接触的一侧表面，若干个振弦式土压力计在制作板桩墙的过程中沿高程方向等间距安装固定在板桩墙与回填材料接触的一侧表面，若干个振弦式钢筋计在制作板桩码头模型的过程中安装固定在拉杆表面。

8.根据权利要求7所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述板桩墙上还设置有导线汇总盒，所述位移传感器通过导线汇总盒连接到数字位移计，所述振弦式应变计、振弦式钢筋计、振弦式土压力计和振弦式反力计通过导线汇总盒连接到采点箱。

9.根据权利要求8所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述板桩码头可视化软件包括实验介绍模块、三维模型模块、实验数据模块及系统管理模块，所述板桩码头可视化软件通过计算机显示器显示。

10.根据权利要求9所述的板桩码头模型实验教学系统，其特征是所述回填材料选用泥土或沙。