CN108385738A - 一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置及方法，属于桩基工程的技术领域，该装置包括支撑定位柱、扭矩加载模块和桩顶约束模块；支撑定位柱的数量为四个；扭矩加载模块包括用于套设在模型桩桩顶的分离箱、以所述模型桩的中心线为对称轴对称设置且第一端与分离箱固定连接的两个加载梁以及MTS作动器；桩顶约束模块包括桁架、齿轮组和扭矩弹簧；桁架的底部固定在支撑定位柱的顶端；齿轮组包括第一齿轮轴承、第一齿轮、第二齿轮轴承和第二齿轮；扭矩弹簧套设在第二齿轮轴承上，且分段对称设置在第二齿轮两侧，第一端固定在第二齿轮上，第二端固定在第二齿轮轴承或桁架上。该装置为桩顶柔性约束下桩的扭转试验研究提供试验测试手段。

Description

一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置及方法

技术领域

本发明涉及桩基工程的技术领域，特别是涉及一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置及方法。

背景技术

桩基础常常是桥梁、近海码头、海上平台、近海风机、跨海输电塔及高耸建筑物等大型建(构)筑物基础的首选基础类型。桩基础与上部建(构)筑物存在多种连接形式，如嵌入式连接和臼式连接等，使桩顶约束条件存在差异，是影响桩基水平受荷变形的关键因素之一。对于海上导管架钢管桩基础，以及桩头锚固不足或配筋过少的预制桩基础，受上部结构或承台的约束将弱于理想的桩顶嵌固情形(转角为0)，在风、波浪和强震等水平荷载作用下易导致桩头在承台(结构)内转动或随承台(结构)一起扭转。当桩与承台锚固牢靠时，桩头约束也将随承台转动而转动，难于形成理想的滑动约束状态。设计中如果对桩顶约束条件认识不足，可能使结构实际水平位移超出设计值。

中国发明专利（CN201310461860.0）公开了一种关于桩的静力加载试验装置。该装置在模型桩的加载点设有拉力绳，通过控制拉力绳倾斜角度，利用砝码对模型桩进行水平、竖向或耦合加载。中国发明专利（CN201410097278.5）公开了一种管桩纵、横向加载装置，可对管桩同时施加竖向和水平荷载，避免了分开加载时位移相互影响而引起荷载施加的不均匀，保证了加荷的精度。上述两套装置利用不同方式实现了桩基耦合加载，但总的说来，已有扭转加载装置大多针对桩顶自由状态，鲜有桩顶柔性约束下桩的扭转试验研究，且尚缺少与此相关的加载装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，以为桩顶柔性约束下桩的扭转试验研究提供试验测试手段，并以该装置为基础，提供一种模拟桩顶线性刚度约束的方法，计算得到桩顶反向约束扭矩。

本发明提供一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，包括支撑定位柱、扭矩加载模块和桩顶约束模块；支撑定位柱的数量为四个，以模型桩为中心呈矩形设置，底端固定在支撑面上；扭矩加载模块包括用于套设在模型桩桩顶的分离箱、以所述模型桩的中心线为对称轴对称设置且第一端与分离箱固定连接的两个加载梁以及MTS作动器；加载梁和MTS作动器处于与支撑面平行的同一平面内；MTS作动器垂直于加载梁，加载头与加载梁固定连接，且以模型桩的中心线为对称轴对称设置；桩顶约束模块包括桁架、齿轮组和扭矩弹簧；桁架的底部固定在支撑定位柱的顶端；齿轮组包括第一齿轮轴承、第一齿轮、第二齿轮轴承和第二齿轮；第一齿轮轴承的轴线与模型桩的轴线共线，顶端固定在桁架上，底端悬空设置在模型桩桩顶；第一齿轮转动设置在第一齿轮轴承上，中心部与分离箱的顶部固定连接；第二齿轮轴承以第一齿轮轴承为对称轴对称设置，且两端均固定在桁架上；第二齿轮上设置有角度刻度，转动设置在第二齿轮轴承上，与第一齿轮处于与支撑面平行的同一平面内，直径小于第一齿轮的直径，且与第一齿轮啮合；扭矩弹簧套设在第二齿轮轴承上，且分段对称设置在第二齿轮两侧，第一端固定在第二齿轮上，第二端固定在第二齿轮轴承或桁架上。

进一步地，第一齿轮轴承和第二齿轮轴承的杆体上均设置有环形凹槽；第一齿轮套设在第一齿轮轴承的环形凹槽内，且与环形凹槽之间设置有滚珠；第二齿轮套设在第二齿轮轴承的环形凹槽内，且与环形凹槽之间设置有滚珠。

进一步地，分离箱的内周面与模型桩桩顶的外周面契合，包括两个可分离的箱体；两个箱体以模型桩的中心线为对称轴对称套设在模型桩的桩顶，通过对拉螺栓连接；对拉螺栓包括贯穿箱体的螺杆和设置在螺杆端部的螺帽；第一齿轮与分离箱通过螺栓连接。

进一步地，加载梁为工字钢，与分离箱焊接，与MTS作动器的加载头螺栓连接；工字钢的两个翼缘之间焊接有多个加劲肋。

进一步地，MTS作动器的端部通过第一固定板固定在反力墙上。

进一步地，桁架与支撑定位柱连接处设置有第二固定板，第二固定板上设置有用于与支撑定位柱螺栓连接的螺栓孔。

进一步地，相邻两个支撑定位柱之间设置有支撑杆。

进一步地，模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，还包括用于固定模型桩的模型箱，模型箱内填筑有模型土。

本发明还提供一种模拟桩顶线性刚度约束的方法，所述方法基于上述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置实施，包括下述步骤：

开启MTS作动器，对加载梁施加一对大小相等、方向相反的力耦，并通过分离箱将扭矩作用于模型桩桩顶，带动第一齿轮和第二齿轮转动；

根据材料力学，每段扭矩弹簧扭矩T和扭转角a之间的关系为：

式中，E为扭矩弹簧的弹性模量，d为扭矩弹簧材料的直径，D为扭矩弹簧的初始直径，N为扭矩弹簧的有效匝数，α为扭矩弹簧的扭转角；

四段扭矩弹簧的总扭矩T ₁如下：

第二齿轮所承担的总扭矩与四段扭矩弹簧的总扭矩T ₁大小相等，根据第一齿轮和第二齿轮的半径之比，可得第一齿轮所承担的扭矩，也即桩顶反向约束扭矩T ₂为：

式中，R为第一齿轮的半径，r为第二齿轮的半径。则桩顶反向约束扭矩T ₂与扭矩弹簧的扭转角a的关系为：

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明提供的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置中通过桩顶约束模块对桩顶施加反向约束扭矩，实现了桩顶柔性转动约束的模拟，为桩顶柔性约束下桩的扭转试验研究提供试验测试手段，具体地液MTS作动器对加载梁施加一对大小相等、方向相反的力耦，并通过分离箱将扭矩作用于模型桩桩顶，桩顶发生转动，第一齿轮将产生与桩顶相同的转角，和第二齿轮啮合将桩顶转角反应到扭矩弹簧，桩顶转角转换为扭矩弹簧扭转角，根据本发明提供的试验方法，可建立扭矩弹簧扭矩与桩顶反向约束扭矩之间的关系，并最终得出桩顶反向约束扭矩与扭矩弹簧的扭转角的函数关系，通过观察第二齿轮上角度刻度的变化值，得到扭矩弹簧的扭转角进而得到桩顶反向约束扭矩值，为开展海上导管架钢管桩和桩头锚固不足的预制桩的扭转特性提供了试验条件；

2、通过第一齿轮和第二齿轮的配合将桩顶微小转角度放大，并通过扭矩弹簧输入扭矩，提高了桩顶反向约束扭矩的加载精度；

3．扭矩加载过程中力耦作用点位置可始终保持不变，避免了扭矩加载装置与桩顶之间的错动，保证了加载的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明实施例1提供的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置的主视图；

图2是图1所示扭矩加载装置的俯视图；

图3是图1所示扭矩加载装置的右视图；

图4是图1所示扭矩加载装置中分离箱和加载梁的安装示意图；

图5是图1所示扭矩加载装置中第一齿轮轴承的结构示意图；

图6是图1所示扭矩加载装置中第一齿轮和第一齿轮轴承的安装示意图；

图7是图1所示扭矩加载装置中第二齿轮轴承的结构示意图；

图8是图1所示扭矩加载装置中扭矩弹簧、第二齿轮和第二齿轮轴承的安装示意图。

标号：100-支撑定位柱；201-分离箱；202-加载梁；203-MTS作动器；204-加劲肋；205-第一固定板；301-桁架；302-扭矩弹簧；303-第一齿轮轴承；304-第一齿轮；305-第二齿轮轴承；306-第二齿轮；307-环形凹槽；308-第二固定板；400-反力墙；500-模型箱；600-模型桩。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，如图1至4所示，包括支撑定位柱100、扭矩加载模块和桩顶约束模块；支撑定位柱100的数量为四个，以模型桩600为中心呈矩形设置，底端固定在支撑面上；扭矩加载模块包括用于套设在模型桩600桩顶的分离箱201、以模型桩600的中心线为对称轴对称设置且第一端与分离箱201固定连接的两个加载梁202以及MTS作动器203；加载梁202和MTS作动器203处于与支撑面平行的同一平面内；MTS作动器203垂直于加载梁202，加载头与加载梁202固定连接，且以模型桩600的中心线为对称轴对称设置；桩顶约束模块包括桁架301、齿轮组和扭矩弹簧302；桁架301的底部固定在支撑定位柱100的顶端；齿轮组包括第一齿轮轴承303、第一齿轮304、第二齿轮轴承305和第二齿轮306；第一齿轮轴承303的轴线与模型桩600的轴线共线，顶端固定在桁架301上，底端悬空设置在模型桩600桩顶；第一齿轮304转动设置在第一齿轮轴承303上，中心部与分离箱201的顶部固定连接；第二齿轮轴承305以第一齿轮轴承303为对称轴对称设置，且两端均固定在桁架301上；第二齿轮306上设置有角度刻度，转动设置在第二齿轮轴承305上，与第一齿轮304处于与支撑面平行的同一平面内，直径小于第一齿轮304的直径，且与第一齿轮304啮合；如图8所示，扭矩弹簧302套设在第二齿轮轴承305上，且分段对称设置在第二齿轮304两侧，第一端固定在第二齿轮306上，第二端固定在第二齿轮轴承305或桁架301上。

为了减小齿轮和齿轮轴承之间的摩擦阻力，提高试验精度，本实施例中，如图5和图7所示，第一齿轮轴承303和第二齿轮轴承305的杆体上均设置有环形凹槽307；如图6所示，第一齿轮304套设在第一齿轮轴承303的环形凹槽307内，且与环形凹槽307之间设置有滚珠；如图8所示，第二齿轮306套设在第二齿轮轴承305的环形凹槽307内，且与环形凹槽307之间设置有滚珠。通过在齿轮和环形凹槽307之间设置滚珠，将齿轮和环形凹槽307之间滑动摩擦变为滚动摩擦，有效减小了齿轮和齿轮轴承之间的摩擦阻力。

进一步地，如图4所示，分离箱201的内周面与模型桩600桩顶的外周面契合，包括两个可分离的箱体；两个箱体以模型桩600的中心线为对称轴对称套设在模型桩600的桩顶，通过对拉螺栓连接；对拉螺栓包括贯穿箱体的螺杆和设置在螺杆端部的螺帽；第一齿轮304与分离箱201通过螺栓连接。

进一步地，如图4所示，加载梁202为工字钢，与分离箱201焊接，与MTS作动器203的加载头螺栓连接；工字钢的两个翼缘之间焊接有多个加劲肋204，以保证工字钢的刚度。

进一步地，如图1或图2所示，MTS作动器203的端部通过第一固定板205固定在反力墙400上。MTS作动器203的端部通过螺栓安装在第一固定板205上，第一固定板205通过螺栓安装在反力墙400上。

进一步地，如图1或图2或图3所示，桁架301与支撑定位柱100连接处设置有第二固定板308，第二固定板308上设置有用于与支撑定位柱100螺栓连接的螺栓孔。第二固定板308的形状与支撑定位柱100相适应。在本实施例中，支撑定位柱100为矩形立柱，第二固定板308焊接在桁架301上。

进一步地，相邻两个支撑定位柱100之间设置有支撑杆，以增强支撑定位柱100的稳定性。应该说明的是，本实施例所述“相邻两个支撑定位柱100”是指中间不具有阻隔物能直接连接的两个支撑定位柱100，如图2中位于模型箱500内外的两组支撑定位柱100，每组支撑定位柱100均可设置支撑杆。

进一步地，如图1或图2或图3所示，模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，还包括用于固定模型桩600的模型箱500，模型箱500内填筑有模型土。

实施例2

本实施例还提供一种模拟桩顶线性刚度约束的方法，所述方法基于上述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置实施，包括下述步骤：

开启MTS作动器203，对加载梁202施加一对大小相等、方向相反的力耦，并通过分离箱201将扭矩作用于模型桩600桩顶，带动第一齿轮304和第二齿轮306转动；

根据材料力学，每段扭矩弹簧302扭矩T和扭转角a之间的关系为：

式中，E为扭矩弹簧的弹性模量，d为扭矩弹簧材料的直径，D为扭矩弹簧的初始直径，N为扭矩弹簧的有效匝数，α为扭矩弹簧的扭转角；

四段扭矩弹簧302的总扭矩T ₁如下：

第二齿轮306所承担的总扭矩与四段扭矩弹簧302的总扭矩T ₁大小相等，根据第一齿轮304和第二齿轮306的半径之比，可得第一齿轮304所承担的扭矩，也即桩顶反向约束扭矩T ₂为：

式中，R为第一齿轮的半径，r为第二齿轮的半径。则桩顶反向约束扭矩T ₂与扭矩弹簧的扭转角a的关系为：

实施例3

本实施例结合具体数值来说明本实施例2中桩顶反向约束扭矩及桩顶转角计算过程。扭矩弹簧302为碳素钢丝材料，弹性模量E为200GPa，初始直径D为50mm，有效匝数N为20，材料直径d为40mm，第一齿轮半径R为300mm，第二齿轮半径r为100mm，第二齿轮转角与扭矩弹簧的扭转角a相等为未知量。

由式(1)得扭矩弹簧302的扭矩T：

四段扭矩弹簧302的总扭矩T₁为：

最后根据式(3)，可得桩顶反向约束扭矩T ₂与扭矩弹簧的扭转角a的关系为：

上式可以看出，扭转约束刚度为常数，即桩顶反向约束扭矩随扭转角增大而线性增大。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，其特征在于：包括支撑定位柱（100）、扭矩加载模块和桩顶约束模块；

所述支撑定位柱（100）的数量为四个，以模型桩（600）为中心呈矩形设置，底端固定在支撑面上；

所述扭矩加载模块包括用于套设在模型桩（600）桩顶的分离箱（201）、以所述模型桩（600）的中心线为对称轴对称设置且第一端与所述分离箱（201）固定连接的两个加载梁（202）以及MTS作动器（203）；

所述加载梁（202）和MTS作动器（203）处于与支撑面平行的同一平面内；

所述MTS作动器（203）垂直于所述加载梁（202），加载头与所述加载梁（202）固定连接，且以所述模型桩（600）的中心线为对称轴对称设置；

所述桩顶约束模块包括桁架（301）、齿轮组和扭矩弹簧（302）；

所述桁架（301）的底部固定在所述支撑定位柱（100）的顶端；

所述齿轮组包括第一齿轮轴承（303）、第一齿轮（304）、第二齿轮轴承（305）和第二齿轮（306）；

所述第一齿轮轴承（303）的轴线与所述模型桩（600）的轴线共线，顶端固定在所述桁架（301）上，底端悬空设置在所述模型桩（600）桩顶；

所述第一齿轮（304）转动设置在所述第一齿轮轴承（303）上，中心部与所述分离箱（201）的顶部固定连接；

所述第二齿轮轴承（305）以所述第一齿轮轴承（303）为对称轴对称设置，且两端均固定在所述桁架（301）上；

所述第二齿轮（306）上设置有角度刻度，转动设置在所述第二齿轮轴承（305）上，与所述第一齿轮（304）处于与支撑面平行的同一平面内，直径小于所述第一齿轮（304）的直径，且与所述第一齿轮（304）啮合；

所述扭矩弹簧（302）套设在所述第二齿轮轴承（305）上，且分段对称设置在所述第二齿轮（306）两侧，第一端固定在所述第二齿轮（306）上，第二端固定在所述第二齿轮轴承（305）或桁架（301）上。

2.根据权利要求1所述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，其特征在于，所述第一齿轮轴承（303）和第二齿轮轴承（305）的杆体上均设置有环形凹槽（307）；

所述第一齿轮（304）套设在所述第一齿轮轴承（303）的环形凹槽（307）内，且与所述环形凹槽（307）之间设置有滚珠；

所述第二齿轮（306）套设在所述第二齿轮轴承（305）的环形凹槽（307）内，且与所述环形凹槽（307）之间设置有滚珠。

3.根据权利要求1所述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，其特征在于，所述分离箱（201）的内周面与模型桩（600）桩顶的外周面契合，包括两个可分离的箱体；

两个所述箱体以所述模型桩（600）的中心线为对称轴对称套设在所述模型桩（600）的桩顶，通过对拉螺栓连接；

所述对拉螺栓包括贯穿所述箱体的螺杆和设置在所述螺杆端部的螺帽；

所述第一齿轮（304）与所述分离箱（201）通过螺栓连接。

4.根据权利要求3所述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，其特征在于，所述加载梁（202）为工字钢，与所述分离箱（201）焊接，与所述MTS作动器（203）的加载头螺栓连接；

所述工字钢的两个翼缘之间焊接有多个加劲肋（204）。

5.根据权利要求1-4任一项所述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，其特征在于，所述MTS作动器（203）的端部通过第一固定板（205）固定在反力墙（400）上。

6.根据权利要求5所述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，其特征在于，所述桁架（301）与所述支撑定位柱（100）连接处设置有第二固定板（308）；

所述第二固定板（308）上设置有用于与所述支撑定位柱（100）螺栓连接的螺栓孔。

7.根据权利要求6所述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，其特征在于，相邻两个支撑定位柱（100）之间设置有支撑杆。

8.根据权利要求7所述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，其特征在于，还包括用于固定模型桩（600）的模型箱（500），所述模型箱（500）内填筑有模型土。

9.一种模拟桩顶线性刚度约束的方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-8任一项所述的模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置实施，包括下述步骤：

开启MTS作动器（203），对加载梁（202）施加一对大小相等、方向相反的力耦，并通过分离箱（201）将扭矩作用于模型桩（600）桩顶，带动第一齿轮（304）和第二齿轮（306）转动；

根据材料力学，每段扭矩弹簧（302）扭矩T和扭转角a之间的关系为：

（1）

式中，E为扭矩弹簧的弹性模量，d为扭矩弹簧材料的直径，D为扭矩弹簧的初始直径，N为扭矩弹簧的有效匝数，α为扭矩弹簧的扭转角；

四段扭矩弹簧（302）的总扭矩T ₁如下：

（2）

第二齿轮（306）所承担的总扭矩与四段扭矩弹簧（302）的总扭矩T ₁大小相等，根据第一齿轮（304）和第二齿轮（306）的半径之比，可得第一齿轮（304）所承担的扭矩，也即桩顶反向约束扭矩T ₂为：

（3）

式中，R为第一齿轮的半径，r为第二齿轮的半径，则桩顶反向约束扭矩T ₂与扭矩弹簧的扭转角a的关系为：

(4)

式中，为扭转约束刚度。