CN106836316A - 一种海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法。(1)确定双凸轮激振器的激振力和扫频范围；(2)将对称双凸轮激振器固定于桩顶，变频扫描激振，记录桩顶加速度响应，进行频谱分析，提取共振频率ω 1；(3)在桩顶固定附加质量块，重复步骤(2)，提取顶部有附加质量块时结构的共振频率ω 2；(4)根据步骤(2)和(3)两次测量提取的共振频率，推导单桩基础结构的抗弯刚度和抗侧刚度；(5)在被测风场中进行静载试验，测定桩的刚度和承载力，根据水平荷载处于设计值时的静载测试刚度修正按步骤(1)至步骤(4)得到的动测刚度，该风场中其余基础的刚度由振动测试方法经类似修正得到。本发明设计合理，操作简单，测试结果准确可靠。

Description

一种海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法
技术领域
本发明具体涉及一种海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法。
背景技术
单桩基础是海上风力发电塔最常用的基础形式。其主要特点竖向承载力富余而水平承载力不足是造成海上风力发电塔基础造价高昂的重要原因。现有检测方法通常对小直径桩进行水平静载试验，据此推算大直径桩承载力。此方法缺乏理论依据和实验验证，且费用高昂无法做到逐桩实测。如何对海上风力发电塔单桩基础的基础刚度进行高效和可靠的检测是工程上亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上风力发电塔单桩基础刚度振动检测方法。
本发明提出的一种海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法，具体步骤如下：
(1)：根据土层特性和桩身设计参数对桩身自振频率和振幅进行估算，确定双凸轮激振器的激振力和扫频范围；
(2)：将对称双凸轮激振器固定于桩身顶部，进行变频扫描激振，采用加速度拾振器记录桩身顶部加速度响应，对加速度时程进行频谱分析，提取带有双凸轮激振器的桩身的共振频率ω1；
(3)：将附加质量块固定于设有对称双凸轮激振器的桩身顶部，进行变频扫描激振，采用加速度拾振器记录提取顶身顶部加速度响应，对加速度时程进行频谱分析，提取带有双凸轮激振器和附加质量块的桩身的共振频率ω2；
(4)：根据步骤(2)得到的带有双凸轮激振器的桩身的共振频率ω1和步骤(3)带有双凸轮激振器和附加质量块的桩身的结构共振频率ω2，依据结构动力学推导单桩基础结构的抗弯刚度和抗侧刚度；
(5)：在被测风场中进行静载试验，测定桩身的刚度和承载力，根据水平荷载处于设计值时的静载测试刚度修正按步骤(1)至步骤(4)得到的基础刚度；该给定风场中其余各座基础的刚度由重复步骤(1)至步骤(4)，经修正得到。本发明中，步骤(1)中所述双凸轮激振器为无极变速。
本发明中，步骤(2)中加速度拾振器个数大于等于1。
本发明中，步骤(4)依据结构动力学推导单桩基础结构的抗弯刚度和抗侧刚度，由自振频率的估算公式根据前后两次提取的共振频率ω1和共振频率ω2，由于结构阻尼较小，可直接将共振频率当作自振频率，求解γk和γm，再由 和求解抗弯刚度kr和抗侧刚度kt，其中ω是自振频率(圆频率)，EI是截面的抗弯模量，m是桩身单位长度的质量，L是桩身露出泥面的长度，γk是刚度修正系数，γm是质量修正系数，ηt是抗侧刚度kt的无量纲值，ηr是抗弯刚度kr的无量纲值，α是顶端质量与桩身质量的比值，当没有附加质量块时α＝0，当存在附加质量块时
本发明的有益效果是：
采用主动激振方式，结构的模态参数易于识别。
在特定风场只需做一次水平静载试验以供校核，其余座基础只需做动力检测，检测效率高，成本低，经济效益好。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是桩顶振动测试平面布置图。
图3是未添加质量块时结构动力学推导的理论模型。
图4是添加质量块后结构动力学推导的理论模型。
图5是静载试验的平面示意图。
图中标号：1为桩身，2为双凸轮激振器，3为激振方向，4为固定支架，5为加速度拾振器，6为海平面，7为泥面，8为水平弹簧(抗侧刚度)，9为转动弹簧(抗弯刚度)，10为激振器水平激振力，11为附加质量块，12为定位桩，13为反力桩，14为加载头。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
按以下步骤对一座海上风力发电塔基础的单桩基础进行振动测试：
步骤一：根据双凸轮激振器的参数估算，确定双凸轮激振器的激振力和扫频范围；
步骤二：参考图2，利用固定支架4将对称双凸轮激振器2固定于单桩基础桩身1顶部中心位置，并在桩身1顶部4个象限点位置布置加速度拾振器5，
步骤三：打开并操作双凸轮激振器2进行变频扫描激振，采用加速度拾振器5采集桩身1顶部加速度响应，并把数据输入计算机，在计算机记录数据，后期数据处理时对加速度时程进行频谱分析，提取共振频率ω1；
步骤四：采用吊机在桩身顶部再吊上一定质量的附加质量块11，并固定，重复步骤(2)，打开并操作固定有附加质量块11的双凸轮激振器2进行变频扫描激振，采用加速度拾振器5采集桩身1顶部加速度响应，并把数据输入计算机，在计算机记录数据，后期数据处理时对加速度时程进行频谱分析，提取顶部有附加质量块的结构共振频率ω2；
步骤五：根据步骤三和步骤四中两次测量提取的共振频率，进行数据处理。依据结构动力学原理推导单桩基础结构的抗弯刚度和抗侧刚度，具体结构动力学模型如图3和图4所示，桩身1由水平弹簧8和转动弹簧9固定于泥面7处，其中图4桩身1顶部有附加质量块11，由自振频率的估算公式根据前后两次提取的共振频率ω1和共振频率ω2，由于结构阻尼较小，可直接将共振频率当作自振频率，求解γk和γm，再由
和求解抗弯刚度kr和抗侧刚度kt，其中ω是自振频率(圆频率)，EI是截面的抗弯模量，m是桩身单位长度的质量，L是桩身露出泥面的长度，γk是刚度修正系数，γm是质量修正系数，ηt是抗侧刚度kt的无量纲值，ηr是抗弯刚度kr的无量纲值，α是顶端质量与桩身质量的比值，当没有附加质量块时α＝0，当存在附加质量块时
步骤六：在被测风场中(特定是不确定的概念)选择一座基础进行一次静载试验，静载试验平面布置参见图5，用固定于在13反力桩的14加载头进行加载，12定位桩用以测量桩顶位移，静载试验过程参见《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)。记录静载试验加载过程中桩身顶部的水平位移和转角，并推算泥面处的水平位移和转角。绘制泥面处弯矩-泥面处转角曲线和泥面处剪力-泥面处水平位移曲线，泥面处弯矩-泥面处转角曲线在设计荷载处的割线斜率即为所求的抗弯刚度，泥面处剪力-泥面处水平位移曲线在设计荷载处的割线斜率即为所求的抗侧刚度。根据静载试验得到的抗弯刚度和抗侧刚度与此座基础经由步骤一至步骤五采用振动测试得到的基础抗弯刚度和抗侧刚度进行比较得到修正系数，以此修正系数修正该风场其余基础经由步骤一到步骤五采用振动测试得到的抗侧刚度和抗弯刚度。

Claims (6)

1.一种海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)：根据土层特性和桩身设计参数对桩身自振频率和振幅进行估算，确定双凸轮激振器的激振力和扫频范围；
(2)：将对称双凸轮激振器固定于桩身顶部，进行变频扫描激振，采用加速度拾振器记录桩身顶部加速度响应，对加速度时程进行频谱分析，提取带有双凸轮激振器的桩身的共振频率ω1；
(3)：将附加质量块固定于设有对称双凸轮激振器的桩身顶部，进行变频扫描激振，采用加速度拾振器记录提取桩身顶部加速度响应，对加速度时程进行频谱分析，提取带有双凸轮激振器和附加质量块的桩身的共振频率ω2；
(4)：根据步骤(2)得到的带有双凸轮激振器的桩身的共振频率ω1和步骤(3)带有双凸轮激振器和附加质量块的桩身的结构共振频率ω2，依据结构动力学推导单桩基础结构的抗弯刚度和抗侧刚度；
(5)：在被测风场中进行静载试验，测定桩身的刚度和承载力，根据水平荷载处于设计值时的静载测试刚度修正按步骤(1)至步骤(4)得到的基础刚度；该给定风场中其余风力发电塔基础的刚度由重复步骤(1)至步骤(4)，经修正得到。
2.根据权利要求1所述的海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法，其特征在于：步骤(1)中所述双凸轮激振器为无极变速。
3.根据权利要求1所述的海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法，其特征在于：步骤(2)中加速度拾振器个数大于等于1。
4.根据权利要求1所述的海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法，其特征在于：步骤(4)依据结构动力学推导单桩基础结构的抗弯刚度和抗侧刚度，由自振频率的估算公式根据前后两次提取的共振频率ω1和共振频率ω2，由于结构阻尼较小，可直接将共振频率当作自振频率，求解和γm，再由
和求解抗弯刚度kr和抗侧刚度kt，其中ω是自振频率(圆频率)，EI是截面的抗弯模量，m是桩身单位长度的质量，L是桩身露出泥面的长度，γk是刚度修正系数，γm是质量修正系数，ηt是抗侧刚度kt的无量纲值，ηr是抗弯刚度kr的无量纲值，α是顶端质量与桩身质量的比值，当没有附加质量块时α＝0，当存在附加质量块时
5.根据权利要求1所述的海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法，其特征在于：步骤(4)中绘制泥面处弯矩-泥面处转角曲线和泥面处剪力-泥面处水平位移曲线，泥面处弯矩-泥面处转角曲线在设计荷载处的割线斜率即为所求的抗弯刚度，泥面处剪力-泥面处水平位移曲线在设计荷载处的割线斜率即为所求的抗侧刚度。
6.根据权利要求1所述的海上风力发电塔单桩基础刚度振动测试方法，其特征在于：所述测试方法还可应用于海上风力发电塔的多桩基础或变径桩基础情况。
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