CN106498987B - 一种表征浅基础动力特性的现场动力试验装置 - Google Patents

一种表征浅基础动力特性的现场动力试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，该装置包括从上至下顺序为高速摄像机(2)、风叶(3)、塔(1)、基础(4)、电缆(6)、卡车(10)、地基(11)；其中塔(1)顶部与风叶(3)相连，并安置高速摄像机(2)，塔(1)顶部与卡车(10)通过电缆(6)相连，电缆(6)上端设有力传感器(7)，下端分别设有快速释放设备(8)、手动绞盘(9)，塔身三分点处安置加速度计(5)，塔底与基础(4)固定，基础(4)上表面安置加速度计(13)，地面上安置地震仪(12)，所有传感器与数据收集系统连在一起。该装置具有原位、快速、多功能等特点，为岩土工程基础安全评估提供有力的检测工具。

Description

一种表征浅基础动力特性的现场动力试验装置
技术领域
本发明涉及一种用于表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，属于岩土工程地基基础安全评估领域中一种能够测试浅基础动力特性的动力设备。
背景技术
浅基础的动态响应是土木工程中重点关注的问题，从基础振动设备的设计到地震荷载作用下结构动力响应。对于振动设备，主要关心地是地基的固有振动频率与强迫振动频率，以防止共振。这类问题一般通过弹性理论，考虑土体割线刚度、土的几何结构阻尼，在地震作用下，集中关注在评估地基土的刚度及其随运动振幅的变化，因为基础的刚度对整个建筑物的动力性能的影响很大。特别是在高层建筑中，非线性土的性质影响动力响应的变化程度依赖于振动幅值。
从理论上角度，大部分研究都是基于弹性土体的响应假设，分析方法基于弹性理论提供的一般基础振动框架，数值模拟角度，一些基于联合有限元(FEM)和离散元(BEM)的方法也研究过基础的线弹性极限响应，从实验角度，大多数都是利用物理模型试验和离心模型试验，目前很少有学者研究过天然土浅基础上的小比例缩尺试验，对于全尺，真正浅基础的试验几乎没有。这是因为需要很大的动力，驱动力，但毫无疑问的是，对于大比例的基础试验可以用来验证本构模型，以重现土体性质的快速转变：小应变响应下的大变形直到破坏失效。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是针对传统浅基础的动态响应问题，提出一种表征浅基础动力特性的现场动力试验装置。利用该测试装置能够快速有效地进行浅基础土层振动分析，能够验证设计的本构模型，并自行进行数据的收集、储存工作。
技术方案：本发明的一种表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，该装置从上至下依次包括摄像机、风叶、塔、基础、电缆、卡车、地基；
其中塔顶部与风叶相连，并安置摄像机，塔顶部与卡车通过电缆相连；
电缆上端设有力传感器，下端分别设有快速释放设备、手动绞盘；
塔中部安置加速度计，塔底部与基础固定，基础上表面安置加速度计，地面上安置地震仪，所有传感器与数据收集系统连在一起。该装置具有原位、快速、多功能等特点，为岩土工程基础安全评估提供有力的检测工具。
优选的，所述的加速度计为水平单向，最大量程为2.5g，灵敏度为1000mV/g。
优选的，所述的地震仪为三向地震仪，灵敏度为12.5mm/s。
优选的，所述的加速度计为垂直单向，最大量程0.5g，灵敏度为9630mV/g。
优选的，所述的力传感器最大量程为20kN，测试精度为0.8％。
有益效果：本发明解决了传统试验针对传统浅基础的动态响应问题研究不足、不准确问题，能够快速、精确地测试浅基础地面动力响应，以重现土体性能从小应变到大变形接近失效的过程，验证设计的本构模型，且自行进行数据的收集、储存工作，为岩土工程地基基础安全评估提供有力的检测工具。
附图说明
图1是本发明的总体装置示意图；
其中有：塔1，高速摄像机2，风叶3，基础4，加速度计5，电缆6，力传感器7，快速释放设备8，手动绞盘9，卡车10，地基11，地震仪12，加速度计13。
具体实施方式
本发明的一种表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，该装置从上至下依次包括摄像机2、风叶3、塔1、基础4、电缆6、卡车10、地基11；
其中塔1顶部与风叶3相连，并安置摄像机2，塔1顶部与卡车10通过电缆6相连；
电缆6上端设有力传感器7，下端分别设有快速释放设备8、手动绞盘9；
塔1中部安置加速度计5，塔1底部与基础4固定，基础4上表面安置加速度计13，地面上安置地震仪12，所有传感器与数据收集系统连在一起。该装置具有原位、快速、多功能等特点，为岩土工程基础安全评估提供有力的检测工具。
所述的加速度计5为水平单向，最大量程为2.5g，灵敏度为1000mV/g。
所述的地震仪12为三向地震仪，灵敏度为12.5mm/s。
所述的加速度计13为垂直单向，最大量程0.5g，灵敏度为9630mV/g。
所述的力传感器7最大量程为20kN，测试精度为0.8％。
风塔1浅基础的方形基座坐落在淤泥粒状土中，通过单元测试进行动态激励，风塔1用一根固定在卡车10上的电缆6拉住，然后牵引力在快速释放设备8的作用下突然释放，从而风塔1产生较宽幅度自由振动，在自由振荡的过程中，通过高速摄像机2拍摄来准确监测位移，通过加速度计5测试风塔1的加速度，基础4的加速度通过高度灵敏的加速度计13测试，基础趾边缘周边地面的速度通过高精度的地震仪12测试，数据收集的异常性与准确性能够推断基础趾地面的性能，通过特定的方法识别工程参数来描述基础的动态响应(旋转刚度与阻尼)，这些工程参数的确定依赖于基础旋转的幅度。地面地震仪12的测量能够确保检测表面的位移由于基础脚趾的土体基础的转动。
基于小应变刚度的基础的旋转刚度计算根据泰勒(1967)提出的弹性关系：
式中B为基础的宽度，L为基础的长度，υ为泊松比，Iθ为影响因子，Es为压缩模量。
通过高速摄像机2测试的照片获取位移，第一次被分析来评估随振动幅值变化的频率，短时间窗口塔定位移测量直接使用以下谐波运动理论：
x(t)＝x0sin(ωt+φ) (2)
ω为角频率，x0为振幅，相位φ为自由参数。
在确定的固有频率、结构阻尼ξ在第二个步骤中，通过拟合测量的位移进行评估在小的时间窗内用以下方程：
不确定参数，ξ为结构阻尼比，ω，φ同上述
因为塔的运动只有一个振动模式，即为一个单一自由度振荡器，整体的模态刚度k由两部分组成，分别为总的地基旋转模态刚度kb、塔平移的模态刚度kt；地基旋转模态刚度kb由地基旋转模态刚度kj和旋转模态刚度基础kf组成。
总的模态刚度由系统两个弹簧串联组成，计算如下：
kt为塔的刚度，为常数，根据线性弹性有限元模型确定，h为风塔高度。
认为整体模态刚度k、模态质量m由地基的旋转刚度kb确定，即 通过刚度与模态频率之间的关系，可得：
整体模态质量可由同一模态的三维有限元分析得到，计算式为：
基础刚度kb取决于振幅x0，在塔顶，即因为是独立的，那么模态刚度k和模态质量m被认为是振幅x0的函数，即和
地基的模态刚度kb，整体的模态刚度k，运用机械系统的等效关系，可得到：
kf为基础的模态刚度，x0为塔顶的模态位移(高速摄像机测试)；x0f为顶部模态位移的百分数，由基础的刚性旋转引起的，可由基础趾地面的竖向加速度测试得到，通过结构动力学位移与加速度之间的关系中可得x0f的计算式如下：
为基础旋转的模态振幅，和分别为基础的模态加速度幅值，通过基础趾地面加速度计的测试得到，d为基础趾地面加速度计之间的间隔。
那么基础的刚度可由式(7)、(8)得到：
运用标准结构动力学概念，考虑模态加速度幅值由基础表面的加速度计测试获得，计算基础的刚度如下：
地基刚度kj可由式(10)中的串联弹簧刚度得到：
地基的旋转的模态振幅基础摇摆的模态振幅计算分别为：
该测试装置解决了传统试验针对传统浅基础的动态响应问题研究不足、不准确等问题，能够快速、精确地测试浅基础地面动力响应，以重现土体性能从小应变到大变形接近失效的过程，验证设计的本构模型，且自行进行数据的收集、储存工作，为岩土工程地基基础安全评估提供有力的检测工具。

Claims (5)

1.一种表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，其特征在于，该装置从上至下依次包括摄像机(2)、风叶(3)、塔(1)、基础(4)、电缆(6)、卡车(10)、地基(11)；
其中塔(1)顶部与风叶(3)相连，并安置摄像机(2)，塔(1)顶部与卡车(10)通过电缆(6)相连；
电缆(6)上端设有力传感器(7)，下端分别设有快速释放设备(8)、手动绞盘(9)；
塔(1)中部安置第一加速度计(5)，塔(1)底部与基础(4)固定，基础(4)上表面安置第二加速度计(13)，地面上安置地震仪(12)，所有传感器与数据收集系统连在一起。
2.根据权利要求1所述的表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，其特征在于，所述的第一加速度计(5)为水平单向，最大量程为2.5g，灵敏度为1000mV/g。
3.根据权利要求1所述的表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，其特征在于，所述的地震仪(12)为三向地震仪，灵敏度为12.5mm/s。
4.根据权利要求1所述的表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，其特征在于，所述的第二加速度计(13)为垂直单向，最大量程0.5g，灵敏度为9630mV/g。
5.根据权利要求1所述的表征浅基础动力特性的现场动力试验装置，其特征在于，所述的力传感器(7)最大量程为20kN，测试精度为0.8％。
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