CN105588771A - 可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置。本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低、高加载次数的可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置。本发明的技术方案是：该装置具有模型箱和竖向固定于模型箱内的模型桩，模型桩上端连接力矩加载机构，力矩加载机构具有重心变化机构和配重块Ⅰ，重心变化机构经钢支架固定于地面，且重心变化机构一端经水平布置的转轴可转动接于钢支架上，重心变化机构经钢丝绳Ⅰ和连接套环连接所述模型桩上端，钢丝绳Ⅰ挂于重心变化机构上方的滑轮Ⅰ上，重心变化机构还经钢丝绳Ⅱ连接配重块Ⅰ，钢丝绳Ⅱ挂于重心变化机构上方的滑轮Ⅱ上，滑轮Ⅰ、Ⅱ均安装于钢支架上。

Description

可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置

技术领域

本发明涉及一种可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置。适用于单点竖向往复式循环加载的单桩模型试验。

背景技术

桩基础是陆域土建工程中使用范围最广泛的基础结构形式之一，其在海洋工程(如海洋平台，海洋风电场)中也有较大的运用潜力。以离岸近海风电为例，国外广泛采用单桩式基础。在风机运行过程中，随着叶片的转动及其他海洋环境荷载的叠加影响，桩基础会受到竖向循环荷载的作用。考虑20年的运营全寿命期，桩基础受到的竖向循环荷载量级较大，对基础结构的竖向承载力有不可忽视的影响。此外，由于竖向循环受荷变形，可能对桩土接触及桩周软弱土产生一定程度的扰动，对桩基础的横向承载力也有潜在的影响。现有的研究通常采用室内缩尺模型试验的方法对上述问题开展研究工作。进行模型试验时，通常采用费用昂贵结构形式复杂的激振设备或者常规的MTS液压加载系统，上述设备存在以下主要的缺陷：

1.设备制作加工或租赁费用较为昂贵，并且需要对设备维护花费较多的人力物力；

2.难以满足室内模型试验对加载幅值的波形要求。如自制的激振设备难以保证加载波形的稳定可控及实现复杂荷载形式的加载。常规的MTS通常加载量级较大，而室内模型试验在相似折减后所需施加的荷载幅值较小，因而采用MTS难以满足试验的需求；

3.对试验的加载次数有一定的限制，难以实现较大量级的循环加载试验。自制激振设备通常难以保证加载次数较大后荷载波形的稳定，而常规MTS则难以实现较大量级的循环加载；

4.现有的加载设备通常针对桩基的水平循环加载，难以直接用于桩基的竖向循环加载试验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、成本较低、高加载次数的可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置。

本发明所采用的技术方案是：一种可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置，具有模型箱和竖向固定于模型箱内的模型桩，其特征在于：所述模型桩上端连接力矩加载机构，所述力矩加载机构具有重心变化机构和配重块Ⅰ，重心变化机构经钢支架固定于地面，且重心变化机构一端经水平布置的转轴可转动接于钢支架上，所述重心变化机构经钢丝绳Ⅰ和连接套环连接所述模型桩上端，钢丝绳Ⅰ挂于重心变化机构上方的滑轮Ⅰ上，重心变化机构还经钢丝绳Ⅱ连接配重块Ⅰ，钢丝绳Ⅱ挂于重心变化机构上方的滑轮Ⅱ上，滑轮Ⅰ、Ⅱ均安装于钢支架上。

所述重心变化机构包括连接平台、电机、转盘和配重块Ⅱ，其中连接平台一端经所述转轴可转动接于所述钢支架上，电机固定于连接平台上，该电机的转轴上固定转盘，在转盘上偏离转轴位置设置配重块Ⅱ。

本发明的有益效果是：1、本发明基于力矩平衡原理，利用重心变化机构的重心变化对模型桩施加循环荷载，可根据试验需求调整输出的竖向循环力。2、本发明结构简单、易于维护，具有较好的经济性和可靠性，输出的荷载稳定性较好且精度较高。3、可根据试验需求(如模型箱大小、模型桩尺寸等)对部件进行模块化定制。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为实施例中力矩加载机构的示意图。

图3为实施例中连接套环的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为一种可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置，具有模型箱1和竖向固定于模型箱内的模型桩2，模型桩2的上端连接对其施加竖向荷载的力矩加载机构。

如图2所示，本例中力矩加载机构具有重心变化机构和配重块Ⅰ13，重心变化机构包括连接平台3、电机4、转盘5和配重块Ⅱ6，其中连接平台3经钢支架14固定于地面，连接平台3与钢支架14之间经水平布置的转轴7实现转动相连，连接平台3的另一端安装电机4，该电机的转轴垂直连接平台3，电机4的转轴上固定有转盘5，在转盘5的偏离电机转轴位置设置配重块Ⅱ6。连接平台3的中部位置经钢丝绳Ⅰ8和连接套环12(图3)连接模型桩2的上端，钢丝绳Ⅰ8依次挂于滑轮Ⅰ10和滑轮Ⅲ15上，滑轮Ⅰ10位于连接平台3上方，滑轮Ⅲ15位于模型桩2上方，滑轮Ⅰ10和滑轮Ⅲ15安装于钢支架14上。连接平台3的中部位置经钢丝绳Ⅱ9连接配重块Ⅰ13，钢丝绳Ⅱ9挂于连接平台3上方的滑轮Ⅱ11，滑轮Ⅱ11安装于钢支架14上。

本实施例的工作原理如下：本实施例加载装置主要利用力学中的力矩平衡原理来实现将配重块Ⅱ6及电机4的重力转化为竖向力，具体原理如下：

随着电机4运转，带动下方的转盘5转动，配重块Ⅱ6与转轴7之间的位置关系不断变化，导致连接平台3在转轴7处的外力合力矩发生变化，连接平台3绕转轴7转动，在配重块Ⅰ13和钢丝绳Ⅰ、Ⅱ的配合下实现对模型桩2的竖向加载。

如图2所示，假定配重块Ⅱ6处于L1位置时，连接平台3处于水平状态其力矩平衡，此时有：

∑M_O＝0＝F_m2×L1+F_rotor×L0-F_load×L3-F_m1×L4

当电机运行，质量块转动到距O点L2距离处时，此时有：

∑M_O＝F_m2×L2+F_rotor×L0-F_Load×L3-F_m1×L4

则桩身所受的荷载为：

$F_{Load}=\frac{F_{m2}\×L2+F_{rotor}\×L0-F_{m1}\×L4}{L3}$

其中F_m2为配重块Ⅱ6的重力；F_rotor为电机4的重力；F_m1为配重块Ⅰ13的重力；F_Load为钢丝绳Ⅰ8对模型桩2的作用力。

随着电机运行，转动平台产生转动，配重块Ⅱ6在L1和L2位置内发生移动，桩身受到了幅值为0到F_Load的水平力作用。当调节配重块Ⅰ、Ⅱ的重量，保证连接平台3的转动幅度较小时，力矩加载装置可以输出稳定的正弦波形荷载；并且，通过调整配重块Ⅰ、Ⅱ的重量和在加载处连接套环12上挂设额外的质量块，可实现加载波形如部分偏心、完全偏心及完全对称。

Claims (2)

1.一种可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置，具有模型箱(1)和竖向固定于模型箱内的模型桩(2)，其特征在于：所述模型桩(2)上端连接力矩加载机构，所述力矩加载机构具有重心变化机构和配重块Ⅰ(13)，重心变化机构经钢支架(14)固定于地面，且重心变化机构一端经水平布置的转轴(7)可转动接于钢支架(14)上，所述重心变化机构经钢丝绳Ⅰ(8)和连接套环(12)连接所述模型桩(2)上端，钢丝绳Ⅰ(8)挂于重心变化机构上方的滑轮Ⅰ(10)上，重心变化机构还经钢丝绳Ⅱ(9)连接配重块Ⅰ(13)，钢丝绳Ⅱ(9)挂于重心变化机构上方的滑轮Ⅱ(11)上，滑轮Ⅰ(10)、Ⅱ(11)均安装于钢支架(14)上。

2.根据权利要求1所述的可施加复杂荷载形式的变频竖向循环加载装置，其特征在于：所述重心变化机构包括连接平台(3)、电机(4)、转盘(5)和配重块Ⅱ(6)，其中连接平台(3)一端经所述转轴(7)可转动接于所述钢支架(14)上，电机(4)固定于连接平台(3)上，该电机的转轴上固定转盘(5)，在转盘(5)上偏离电机转轴位置设置配重块Ⅱ(6)。