CN105387985A - 海洋平台的k型桩腿节点冲击试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，两个移动框开口端分别包容中间固定框两端，移动框和中间固定框之间通过移动框锁定机构固定连接。两个移动框驱动机构对称设置在中间固定框纵向两端内，在每个移动框和基础平面之间设置一个移动框支承机构和移动框升降机构，K型桩腿固定机构设置在两个移动外框外端上，K型桩腿测量机构设置在K型桩腿固定机构设置上侧。使用方法如下：调节垂直支撑板之间的距离并锁定中间固定框和移动框的连接。本发明采用一套试验装置就可适用于多种规格K型桩腿的冲击试验，通用性强，降低了试验成本。试验方法可精确地得到K型桩腿节点的塑性变形值。

Description

海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海洋平台桩腿冲击试验装置及方法，尤其是一种用于落锤冲击载荷下K型桩腿的损伤与变形动态响应的试验装置及方法，属于海洋工程技术领域。

背景技术

海洋平台作为海洋能源勘探开发的主要组成部分，是海洋油气探井、钻井、开采的主要作业基地。在各类海洋平台结构物中，自升式海洋平台的上层结构物通过其下部的管形桩腿支撑，海洋平台周边海域通常会有船舶作业，或海洋平台本身就位于主要航道上，大大增加船舶碰撞概率，船舶碰撞冲击管形桩腿致使海洋平台结构损伤破坏。海洋平台桩腿有多种结构，其中，管及管节点是自升式海洋平台的主要支撑构件，对海洋平台起到主要的支撑作用且通常会直接受到工作船舶的撞击。因此，开展碰撞冲击载荷下平台结构的动态响应研究具有重要的意义。

关于海洋平台碰撞性能方面的研究主要集中在试验、解析及数值仿真三个方面。其中，试验是最为真实可靠的研究手段，而解析计算及数值仿真都需要基于试验现象开展或需要试验验证完善。目前，由于受到试验条件的限制，关于海洋平台桩腿及桩腿节点的试验不多，特别是现有的试验工装只能用于单一规格的管及管节点的冲击试验，更换一种管及管节点必须专门设计加工一套试验工装，增大了试验成本。

发明内容

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，包括中部固定框、两个开口相对的移动框、移动框锁定机构、两个移动框驱动机构、两个移动框支承机构、四个移动框升降机构、K型桩腿固定机构和K型桩腿测量机构，所述中部固定框呈矩形，固定在基础底板上；移动框为一侧开口的槽形，两个移动框开口端分别包容中部固定框两端，移动框和中部固定框之间通过移动框锁定机构固定连接；两个移动框驱动机构对称设置在移动框纵向两端外，在每个移动框和基础底板之间设置一个移动框支承机构，在每个移动框支承机构纵向两侧下各设置一个移动框升降机构；K型桩腿固定机构设置在两个移动框和中部固定框内，K型桩腿测量机构设置在K型桩腿固定机构上侧；移动框驱动机构包括水平油缸，油缸前铰耳座和油缸中铰耳座，油缸前铰耳座固定在移动框外侧，油缸中铰耳座固定在移动框外侧的基础底板上；活塞杆前端与油缸前铰耳座铰接，油缸中铰轴与油缸中铰耳座铰接。

一种使用海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置的方法，包括以下步骤：

1）在K型桩腿上侧水平管两端分别焊接垂直安装板，再将安装底板分别焊在K型桩腿两根斜管底部，在K型桩腿上侧水平管端头与垂直安装板之间，K型桩腿两根斜管底部和安装底板之间，分别焊接数块筋板加固；

2）在K型桩腿上标出应变测点位置和初始位移测点位置，打磨应变测点至光滑，清洁K型桩腿表面，贴上应变片和板基，连接上导线并检查应变片是否完好；

3）根据被试K型桩腿的不同规格，确定垂直支撑板之间的距离，从而确定移动框的移动距离；

4）正向启动移动框升降机构，两个移动框下侧数个柱塞油缸的柱塞同步上升，通过两对导轨推动与之对应的滚轮同步上升，移动框随之上升，直至移动框底面脱离基础底板，然后关闭移动框升降机构；

5）正向启动两个移动框驱动机构，两个水平油缸活塞杆相对移动，拉动对应的移动框的滚轮沿着导轨滚动，两个移动框同步移动，直至中部固定框内侧的第一垂直凹槽与移动框外侧预定位置的第二垂直凹槽接合成封闭的垂直锁定销销孔；

6）反向启动移动框升降机构，两个移动框下侧的数个柱塞油缸的柱塞在移动框自重的作用下同步下降，两对导轨和其上的滚轮同步下降，移动框及其内侧的齿条随之下降，直至移动框底面落在基础底板上；然后关闭移动框升降机构；

7）将垂直锁定销插进垂直锁定销销孔中，从而将移动框和中部固定框固定连接成一体；将垂直支撑板下端插进移动框的横向槽中，垂直支撑板外侧的封板、垂直支撑板和移动框横边通过通过数组螺栓螺母固定在移动框的横边上侧；

8）将K型桩腿吊运到两个移动框上侧的垂直支撑板之间，并将K型桩腿上侧水平管两端的垂直安装板固定在垂直支撑板上端内侧面之间，K型桩腿两根斜管底部下端的安装底板固定在底部支撑板上；

9）在垂直支撑板顶面中部上安装K型桩腿测量机构，激光测距仪测量各个初始位移测点的初始垂直距离；

10）拆下K型桩腿测量机构，采用落锤方式对K型桩腿节点进行冲击试验、；

11）再次安装K型桩腿测量机构，激光测距仪测量K型桩腿节点各初始位移测点的垂直位移。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

前述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其中所述移动框锁定机构设置在移动框的纵向内侧面和中部固定框纵向外侧面之间，包括垂直锁定销、垂直间隔设置在中部固定框外侧面上的数条第一垂直凹槽，设置在相邻的移动框内侧面上的一条第二垂直凹槽；中部固定框的第一垂直凹槽与移动框对应位置的第二垂直凹槽拼合成垂直锁定销销孔，垂直锁定销分别插进移动框纵向内侧面和中部固定框纵向外侧面之间的垂直锁定销销孔中，将移动框和中部固定框固定连接成一体。

前述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其中所述移动框支承机构包括一对导轨和数个滚轮，所述一对导轨平行设置在移动框纵向两侧下，每个移动框纵向边的外侧面下侧间隔设置至少两个滚轮，所述滚轮支撑在导轨上，所述导轨嵌装在低于基础底板的导轨槽中。

前述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其中所述移动框升降机构包括数个间隔设置的柱塞油缸，所述柱塞油缸垂直设置在导轨下侧的导轨槽底部上。

前述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其中所述K型桩腿固定机构包括分别固定在移动框横向两端上的垂直支撑板和分别设置在中部固定框纵向两侧内的底部支撑板，所述垂直支撑板下端插进移动框的横向槽中，垂直支撑板外侧的封板、垂直支撑板和移动框横边下端通过数组螺栓螺母固定在移动框横向边上侧，K型桩腿上侧水平管两端的垂直安装板分别固定在对应的垂直支撑板内侧上端，K型桩腿底部两根斜管的安装底板固定在K型桩腿底部支撑板上。

前述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其中所述K型桩腿测量机构包括激光测距仪、支撑座和滑轨，所述滑轨与K型桩腿上侧水平管平行，滑轨两端分别固定垂直支撑板顶面中部，支撑座套装在滑轨上，激光测距仪固定在支撑座垂直侧面上。

本发明的试验装置采用中间的中部固定框和两端的移动框通过垂直锁定销的锁定连接的结构，一套试验装置就可适用于多种规格不同尺寸的K型桩腿的冲击试验，通用性强，安装拆卸方便、大大降低了试验成本。本发明的移动框支承机构和升降机构使得移动框移动方便，并能迅速从浮动的调节状态转为落地锁定的工作状态。试验装置稳定可靠，便于安装拆卸。本发明的试验方法可精确地得到K型桩腿的塑性变形值，对改进海洋平台桩腿的K型桩腿设计，提高海洋平台可靠性提供了坚实的基础。

本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明：

图1为本发明的主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的A-A剖视图；

图4为图3的Ⅰ部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图4所示，本发明包括中部固定框1、两个开口相对的移动框2、移动框锁定机构3、两个移动框驱动机构4、两个移动框支承机构5、四个移动框升降机构6、K型桩腿固定机构7和K型桩腿测量机构8，中部固定框1呈矩形，本实施例的中部固定框1和移动框2均为厚板焊成的钢结构框架，其上开有减轻孔11，通过地脚螺栓固定在基础底板100上。移动框2为一侧开口的槽形，两个移动框2开口端分别包容中部固定框1两端，移动框2和中部固定框1之间通过移动框锁定机构3固定连接。

移动框锁定机构3设置在移动框2的纵向内侧面和中部固定框1纵向外侧面之间，包括垂直锁定销31、垂直设置在中部固定框1外侧面上的一条第一垂直凹槽12，间隔设置在相邻移动框2内侧面上的10条第二垂直凹槽21。本实施例可实现移动框2的五档移动，每档间距150mm，以适应不同的管件长度。移动框2的第二垂直凹槽21与中部固定框1对应位置的第一垂直凹槽12拼合成垂直锁定销销孔，垂直锁定销31插进垂直锁定销销孔中，将移动框2和中部固定框1固定连接成一体。本实施例的垂直锁定销31为圆柱形，对应的垂直锁定销销孔横截面也为圆形，在保持垂直锁定销31剪切面积不变的情况下，圆柱形的垂直锁定销比正方形的垂直锁定销重量减轻了21.5%，既便于操作，也降低了垂直锁定销的制造成本。K型桩腿固定机构7设置在两个移动框2外端上，K型桩腿测量机构8设置在K型桩腿固定机构7设置上侧。

两个移动框驱动机构4对称设置在移动框纵向两端外，每个移动框驱动机构4包括水平油缸41，油缸前铰耳座42和油缸中铰耳座43，油缸前铰耳座42固定在移动框1外侧，油缸中铰耳座43固定在移动框2外侧的基础底板100上；活塞杆411前端与油缸前铰耳座42铰接，油缸中铰轴412与油缸中铰耳座43铰接。

在每个移动框2和基础底板100之间设置一个移动框支承机构5，在每个移动框支承机构5纵向两侧下各设置一个移动框升降机构6。K型桩腿固定机构7设置在两个移动框2外端上，K型桩腿测量机构8设置在K型桩腿固定机构7上侧。

移动框支承机构5包括一对导轨51和4个滚轮52，一对导轨51平行设置在移动框2纵向两侧下，每个移动框纵向边22的外侧面下侧间隔设置至少两个滚轮52，所述滚轮52支撑在导轨51上，导轨51嵌装在低于基础底板100的导轨槽101中。移动框升降机构5包括数个间隔设置的柱塞油缸61，所述柱塞油缸61为柱塞油缸，垂直设置在导轨51下侧的导轨槽101底部上。试验时，移动框2底部落在基础底板100上，齿轮43与齿条44脱离啮合，避免受到冲击而损坏。

K型桩腿固定机构7包括分别固定在移动框横向两端上的垂直支撑板71和分别设置在中部固定框纵向两侧内的底部支撑板72，垂直支撑板71下端插进移动框2的横向槽23中，垂直支撑板71外侧的封板73、垂直支撑板71和移动框横边23下端通过通过2组螺栓螺母74固定在移动框横向边23上侧，K型桩腿上侧水平管91两端的垂直安装板911通过4个紧固螺栓螺母912分别固定在对应的垂直支撑板71内侧上端，K型桩腿底部两根斜管92的安装底板921固定在K型桩腿底部支撑板72上。

K型桩腿测量机构8包括激光测距仪81、支撑座82和滑轨83，所述滑轨83与K型桩腿上侧水平管91平行，滑轨83两端分别固定垂直支撑板71顶面中部，支撑座82套装在滑轨83上，激光测距仪81固定在支撑座垂直侧面上。

一种使用海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置的方法，包括以下步骤：

1）在K型桩腿上侧水平管91两端分别焊接垂直安装板911，再将安装底板921分别焊在K型桩腿两根斜管92底部，在K型桩腿上侧水平管91端头与垂直安装板911之间，K型桩腿两根斜管92底部和安装底板921之间，分别焊接数块筋板913加固；

2）在K型桩腿9上标出应变测点位置和初始位移测点93位置，打磨应变测点至光滑，清洁K型桩腿9表面，贴上应变片94和板基，连接上导线并检查应变片是否完好。

3）根据被试K型桩腿9的不同规格，确定垂直支撑板71之间的距离，从而确定移动框2的移动距离。

4）正向启动移动框升降机构6，两个移动框2下侧数个柱塞油缸61的柱塞同步上升，通过两对导轨51推动与之对应的滚轮52同步上升，移动框2随之上升，直至其底面脱离基础底板100，齿条44随移动框2上升，且与齿轮43啮合，然后关闭移动框升降机构5。

5）正向启动两个移动框驱动机构4，两个水平油缸活塞杆411相对移动，拉动对应的移动框2的滚轮52沿着导轨51滚动，两个移动框2同步移动，直至中部固定框1内侧的第一垂直凹槽12与移动框外侧预定位置的第二垂直凹槽21接合成封闭的垂直锁定销销孔；

6）反向启动移动框升降机构5，两个移动框2下侧的数个柱塞油缸61的柱塞在移动框2自重的作用下同步下降，两对导轨51和其上的滚轮52同步下降，移动框2及其内侧的齿条44随之下降，直至移动框2底面落在基础底板100上；齿条44与齿轮43脱离啮合；然后关闭移动框升降机构5。

7）将垂直锁定销31插进垂直锁定销销孔中，从而将移动框2和中部固定框1固定连接成一体；将垂直支撑板71下端插进移动框1的横向槽13中，垂直支撑板71外侧的封板73、垂直支撑板71下端和移动框横向边23通过2组螺栓螺母73固定在移动框横向边23上侧。

8）将K型桩腿9吊运到两个移动框2上侧的垂直支撑板71之间，并K型桩腿上侧水平管91两端的垂直安装板911分别通过4个紧固螺栓螺母912固定在对应的垂直支撑板71内侧上端，K型桩腿两根斜管92底部和安装底板921通过螺钉922固定在K型桩腿底部支撑板72上。

9）在垂直支撑板71顶面中部上安装K型桩腿测量机构8，激光测距仪81测量各个初始位移测点93的初始垂直距离；

10）拆下K型桩腿测量机构8，采用落锤方式对K型桩腿进行冲击试验；

11）再次安装K型桩腿测量机构8，激光测距仪测量K型桩腿各初始位移测点93的垂直位移。

本发明还可用于一字型桩腿管的冲击试验。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其特征是，包括中部固定框、两个开口相对的移动框、移动框锁定机构、两个移动框驱动机构、两个移动框支承机构、四个移动框升降机构、K型桩腿固定机构和K型桩腿测量机构，所述中部固定框呈矩形，固定在基础底板上；移动框为一侧开口的槽形，两个移动框开口端分别包容中部固定框两端，移动框和中部固定框之间通过移动框锁定机构固定连接；两个移动框驱动机构对称设置在移动框纵向两端外，在每个移动框和基础底板之间设置一个移动框支承机构，在每个移动框支承机构纵向两侧下各设置一个移动框升降机构；K型桩腿固定机构设置在两个移动框和中部固定框内，K型桩腿测量机构设置在两个移动框和中部固定框内；移动框驱动机构包括水平油缸，油缸前铰耳座和油缸中铰耳座，油缸前铰耳座固定在移动框外侧，油缸中铰耳座固定在移动框外侧的基础底板上；活塞杆前端与油缸前铰耳座铰接，油缸中铰轴与油缸中铰耳座铰接。

2.如权利要求1所述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其特征是，所述移动框锁定机构设置在移动框的纵向内侧面和中部固定框纵向外侧面之间，包括垂直锁定销、垂直间隔设置在中部固定框外侧面上的数条第一垂直凹槽，设置在相邻的移动框内侧面上的一条第二垂直凹槽；中部固定框的第一垂直凹槽与移动框对应位置的第二垂直凹槽拼合成垂直锁定销销孔，垂直锁定销分别插进移动框纵向内侧面和中部固定框纵向外侧面之间的垂直锁定销销孔中，将移动框和中部固定框固定连接成一体。

3.如权利要求1所述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其特征是，所述移动框支承机构包括一对导轨和数个滚轮，所述一对导轨平行设置在移动框纵向两侧下，每个移动框纵向边的外侧面下侧间隔设置至少两个滚轮，所述滚轮支撑在导轨上，所述导轨嵌装在低于基础底板的导轨槽中。

4.如权利要求1或3所述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其特征是，所述移动框升降机构包括数个间隔设置的柱塞油缸，所述柱塞油缸垂直设置在导轨下侧的导轨槽底部上。

5.如权利要求1所述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其特征是，所述K型桩腿固定机构包括分别固定在移动框横向两端上的垂直支撑板和分别设置在中部固定框纵向两侧内的底部支撑板，所述垂直支撑板下端插进移动框的横向槽中，垂直支撑板外侧的封板、垂直支撑板和移动框横边下端通过通过数组螺栓螺母固定在移动框横向边上侧，K型桩腿上侧水平管两端的垂直安装板分别固定在对应的垂直支撑板内侧上端，K型桩腿底部两根斜管的安装底板固定在K型桩腿底部支撑板上。

6.如权利要求1所述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置，其特征是，所述K型桩腿测量机构包括激光测距仪、支撑座和滑轨，所述滑轨与K型桩腿上侧水平管平行，滑轨两端分别固定垂直支撑板顶面中部，支撑座套装在滑轨上，激光测距仪固定在支撑座垂直侧面上。

7.一种使用如权利要求1所述的海洋平台的K型桩腿节点冲击试验装置的方法，其特征是，包括以下步骤：

1）在K型桩腿上侧水平管两端分别焊接垂直安装板，再将安装底板分别焊在K型桩腿两根斜管底部，在K型桩腿上侧水平管端头与垂直安装板之间，K型桩腿两根斜管底部和安装底板之间，分别焊接数块筋板加固；

2）在K型桩腿上标出应变测点位置和初始位移测点位置，打磨应变测点至光滑，清洁K型桩腿表面，贴上应变片和板基，连接上导线并检查应变片是否有损坏；

3）根据被试K型桩腿的不同规格，确定垂直支撑板之间的距离，从而确定移动框的移动距离；

4）正向启动移动框升降机构，两个移动框下侧数个柱塞油缸的柱塞同步上升，通过两对导轨推动与之对应的滚轮同步上升，移动框随之上升，直至移动框底面脱离基础底板，齿条随移动框上升，且与齿轮啮合，然后关闭移动框升降机构；

5）正向启动两个移动框驱动机构，两个水平油缸活塞杆相对移动，拉动对应的移动框的滚轮沿着导轨滚动，两个移动框同步移动，直至中部固定框内侧的第一垂直凹槽与移动框外侧预定位置的第二垂直凹槽接合成封闭的垂直锁定销销孔；

6）反向启动移动框升降机构，两个移动框下侧的数个柱塞油缸的柱塞在移动框自重的作用下同步下降，两对导轨和其上的滚轮同步下降，移动框及其内侧的齿条随之下降，直至移动框底面落在基础底板上；齿条与齿轮脱离啮合；然后关闭移动框升降机构；

7）将垂直锁定销插进垂直锁定销销孔中，从而将移动框和中部固定框固定连接成一体；将垂直支撑板下端插进移动框的横向槽中，垂直支撑板外侧的封板、垂直支撑板和移动框横边通过数组螺栓螺母固定在移动框的横边上侧；

8）将K型桩腿吊运到两个移动框上侧的垂直支撑板之间，并将K型桩腿上侧水平管两端的垂直安装板固定在垂直支撑板上端内侧面之间，K型桩腿两根斜管底部下端的安装底板固定在底部支撑板上；

9）在垂直支撑板顶面中部上安装K型桩腿测量机构，激光测距仪测量各个初始位移测点的初始垂直距离；

10）拆下K型桩腿测量机构，采用落锤方式对K型桩腿节点进行冲击试验；

11）再次安装K型桩腿测量机构，激光测距仪测量K型桩腿节点各初始位移测点的垂直位移。