CN108507756A - 波浪对方形桩柱作用荷载研究装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其技术方案要点是其包括内部中空设计的方形柱体、压力传感器、压力数据采集系统、压载物和波浪水槽，所述方形柱体置于波浪水槽内，所述方形柱体的侧表面和棱角处均安装有压力传感器，所述压力数据采集系统连接压力传感器，并接收压力传感器检测的数据，所述压载物置于方形柱体的空腔底部。本发明的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置结构简单、易于操作，能够测量方形桩柱总波浪荷载，也能够检测局部波浪荷载，并且还能研究桩柱间相互干扰作用对波浪荷载影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种研究装置，更具体的说，它涉及一种波浪对方形桩柱作用荷载研究装置及其测试方法。
背景技术
在港口及近海工程中，方形桩柱和方形桩柱群是常见结构，作用在桩柱上的波浪荷载受众多因数的耦合作用，比如波浪参数、桩柱尺寸和桩柱布置方式等。当桩柱间距较小时，相互间水动力影响较强，作用在桩柱上的波浪荷载与孤立桩柱相比将显著增大，致使结构失稳破坏，给桩柱设计提出了严峻的挑战。目前，针对波浪作用在桩柱上的荷载主要有以下几类评估方法：(1)根据已有的经验公式；(2)通过CFD数值模拟计算；(3)试验水槽内模型试验。无论是经验公式还是数值模拟，其精确性都需要通过模型试验来验证。水槽模型试验将实际结构物尺寸、水动力参数和边界条件等按照相似准则进行缩尺，获得实验数据，之后用比尺关系还原到原型结构中，进而得实际结构上的波浪荷载。但是传统的方柱模型研究装置通常只能测量得到作用在桩柱上的总波浪荷载，而不能检测方柱侧面和棱角各点的波浪压力分布，并且对于来波方向与桩柱间距的相互影响也少有考虑。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种简单方便、易于操作，能够测量方形桩柱总波浪荷载，也能够检测局部波浪荷载，并且还能研究桩柱间相互干扰作用对波浪荷载影响的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其包括内部中空设计的方形柱体、压力传感器、压力数据采集系统、压载物和波浪水槽，所述方形柱体置于波浪水槽内，所述方形柱体的侧表面和棱角处均安装有压力传感器，所述压力数据采集系统连接压力传感器，并接收压力传感器检测的数据，所述压载物置于方形柱体的空腔底部。
通过采用上述技术方案，能够通过实测数据研究波浪对桩柱的影响和检测桩柱侧面和棱角各点的波浪压力分布，并且能够研究来波方向、桩柱间距对波浪荷载的影响。
本发明进一步设置为：所述方形柱体的外侧底部设置有支撑脚。
通过采用上述技术方案，通过设置支撑脚能够对方形柱体进行稳定，避免出现波浪荷载过大使方形柱体摇晃或倾覆的情况。
本发明进一步设置为：所述支撑脚设置有四个，并均匀安装在方形柱体的四个侧面上。
本发明进一步设置为：所述方形柱体的棱角与侧面连接处采用圆弧连接。
本发明进一步设置为：所述压力传感器在方形柱体上呈竖直方向设置有多个。
本发明进一步设置为：所述压力传感器为压电式压力传感器。
本发明进一步设置为：所述积木式压载物在方形柱体的空腔内设置有多个，可根据研究需要增减。
本发明进一步设置为：所述方形柱体在波浪水槽内设置有若干个。
本发明进一步设置为：所述方形柱体的边壁和底部均由不锈钢制成。
本发明的测试方法：所述压力数据采集系统实时采集压电式压力传感器上的数据，使得监测作用于方形柱体上的波浪载荷，根据实验工况，可在方形柱体的空腔内放置不同数量的压载物，且在方形柱体上安装不同数量的压力传感器，
所述方形柱体能够在波浪水槽内绕轴线作360度旋转，用于研究不同入射角的波浪对方形柱体波浪荷载的影响，通过方形柱体绕轴线依次以90度旋转一周，将方形柱体的棱角和侧面上测得到的压力数据进行叠加可得到作用在方形柱体上的总波浪荷载，
通过调节相邻方形柱体的中心连线与波向的角度以及相邻方形柱体的间距，用于研究波浪入射角和柱体间距对各个方形柱体所受波浪荷载的影响，通过相邻方形柱体可以研究柱体的相互干扰效应，包括串联式、并联式以及一般位置时，方形柱体间距和波浪入射角对于作用在相邻方形柱体上波浪荷载的影响。
本发明具有下述优点：通过方形柱体、压力传感器、压力数据采集系统和波浪水槽之间的联合运用，能够通过实测数据研究桩柱群对波浪荷载的影响和检测方柱侧面和棱角各点的波浪压力分布，并且能够研究来波方向、桩柱间相互干扰作用对波浪荷载的影响，通过支撑脚的设置能够提高方形柱体在波浪水槽内的稳定性，通过方形柱体的棱边呈圆弧设置能够研究实际桩柱的波浪荷载作用，通过多个压力传感器的设置能够研究波峰、波谷对桩柱的波浪荷载，通过积木式压载物的设置能够根据不同波况安放不同数量的压载物，以保证方形柱体的稳定性，通过相邻方形柱体的设置能够研究桩柱群对波浪荷载的影响，通过方形柱体的边壁和底部均由不锈钢制成，能够保证方形柱体有足够的刚度，避免柱体变形对波浪荷载测量的影响。
附图说明
图1为本发明波浪对方形桩柱作用荷载研究装置的主视图；
图2为本发明波浪对方形桩柱作用荷载研究装置的俯视图。
图中：1、方形柱体；2、压力传感器；3、压力数据采集系统；4、压载物；5、波浪水槽；6、支撑脚。
具体实施方式
参照图1和2所示，本实施例的一种波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其包括内部中空设计的方形柱体1、压力传感器2、压力数据采集系统3、压载物4和波浪水槽5，所述方形柱体1置于波浪水槽5内，所述方形柱体1的侧表面和棱角处均安装有压力传感器2，所述压力数据采集系统3连接压力传感器2，并接收压力传感器2检测的数据，所述压载物4置于方形柱体1的空腔底部。
所述方形柱体1的外侧底部设置有支撑脚6。
所述支撑脚6设置有四个，并均匀安装在方形柱体1的四个侧面上。
所述方形柱体1的棱角与侧面连接处采用圆弧连接。
所述压力传感器2在方形柱体1上呈竖直方向设置有多个。
所述压力传感器2为压电式压力传感器。
所述压载物4在方形柱体1的空腔内设置有多个。
所述方形柱体1在波浪水槽5内设置有多个。
所述方形柱体1的边壁和底部均由不锈钢制成。
一种波浪对方形桩柱作用荷载研究装置的测试方法，所述压力数据采集系统3实时采集压电式压力传感器2上的数据，使得监测作用于方形柱体1上的波浪载荷，根据实验工况，可在方形柱体1的空腔内放置不同数量的压载物4，且在方形柱体1上安装不同数量的压力传感器2，
所述方形柱体1能够在波浪水槽5内绕轴线作360度旋转，用于研究不同入射角的波浪对方形柱体1波浪荷载的影响，通过方形柱体1绕轴线依次以90度旋转一周，将方形柱体1的棱角和侧面上测得到的压力数据进行叠加可得到作用在方形柱体1上的总波浪荷载，
通过调节相邻方形柱体1的中心连线与波向的角度以及相邻方形柱体1的间距，用于研究波浪入射角和柱体间距对各个柱体所受波浪荷载的影响，通过相邻方形柱体1可以研究柱体群的相互干扰效应，包括串联式、并联式以及一般位置时，方形柱体1间距和波浪入射角对于作用在相邻方形柱体1上波浪荷载的影响。
通过采用上述技术方案，本研究装置包括波浪水槽5、方形柱体1、压力传感器2、压力数据采集系统3和压载物4。所述方形柱体1采用不锈钢筒式结构，棱角为圆弧，筒壁厚1.5mm，底部厚2mm，侧面和圆弧棱角上均开有测压孔用于安装压力传感器2，并与压力数据采集系统3相连以实时采集各测压孔的波浪压力数据。方形柱体1内可根据不同的波况安放不同数量的压载物4，以保证方形柱体1的稳定性。
在采用上述技术方案的同时，本发明专利还可以采用或者组合采用以下的技术方案：
所述方形柱体1上开孔的位置和数量可以在波峰与波谷范围内根据试验工况进行调整。
所述方形柱体1的侧面设置有刻度线。
所述方形柱体1底部装有四个支撑脚6，可以增加方形柱体1的稳定性。
根据附图1和2所示，波浪对方形柱体1作用荷载的研究装置包括模拟方形柱体1结构的方形柱体1、压电式压力传感器2、压力数据采集系统3、压载物4以及模拟实际海况的波浪水槽5。方形柱体1安置在波浪水槽5内，在方形柱体1内放入一定量的压载物4保证方形柱体1的稳定。压力传感器2安装于方形柱体1上的测压孔内。当波浪经过方形柱体1时压力传感器2采集方形柱体1侧面和棱角的压力并通过数据线将数据传送到压力数据采集系统3，实时监测作用在方形柱体1上各点的压力。
根据需求可将方形柱体1绕轴线进行360度旋转，研究不同入射角的波浪对波浪荷载的影响，也可以将方形柱体1按照顺时针方向依次旋转90度，旋转一周后将得到的数据导入到以编制的程序中计算作用在方形柱体1上的总波浪荷载大小及方向。
本装置可以研究相邻方形柱体1的相互干扰，将相邻方形柱体1串联布置，方形柱体1间距以边长倍数依次递增，依次得到作用在相邻方形柱体1上的波浪荷载，进而确定干扰现象最严重的位置，以及可以忽略相邻方形柱体1相互干扰作用的间距；将相邻方形柱体1并联布置，按照和串联方形柱体1同样的方法，可以得出类似的结论；对于一般情形，可把相邻方形柱体1中心连线与波向变化成任意的角度，依次变化方形柱体1间距，进而确定任意入射角时，方形柱体1间距对波浪荷载的影响。
通过方形柱体1、压力传感器2、压力数据采集系统3和波浪水槽5之间的联合运用，能够通过实测数据研究桩柱对波浪荷载的影响和检测方柱侧面和棱角各点的波浪压力分布，并且能够研究桩柱间相互干扰作用对波浪荷载的影响，通过支撑脚6的设置能够提高方形柱体1在波浪水槽5内的稳定性，通过方形柱体1的棱边呈圆弧设置能够研究作用于实际工程桩柱上的波浪荷载，通过多个压力传感器2的设置能够研究波峰、波谷对桩柱的波浪荷载，通过多个压载物4的设置能够根据不同的波况安放不同数量的压载物4，以保证方形柱体1的稳定性，通过相邻方形柱体1的设置能够对柱体与柱体之间的波浪影响进行检测和实验，通过方形柱体1的边壁和底部均由不锈钢制成，能够保证柱体具有足够的刚度，避免柱体变形对波浪荷载测量的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：其包括内部中空设计的方形柱体、压力传感器、压力数据采集系统、压载物和波浪水槽，所述方形柱体置于波浪水槽内，所述方形柱体的侧表面和棱角处均安装有压力传感器，所述压力数据采集系统连接压力传感器，并接收压力传感器检测的数据，所述压载物置于方形柱体的空心腔底部。
2.根据权利要求1所述的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：所述方形柱体的外侧底部设置有支撑脚。
3.根据权利要求2所述的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：所述支撑脚设置有四个，并均匀安装在方形柱体的四个侧面上。
4.根据权利要求1所述的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：所述方形柱体的棱角与侧面连接处采用圆弧连接。
5.根据权利要求1所述的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：所述压力传感器在方形柱体上呈竖直方向设置有多个。
6.根据权利要求5所述的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：所述压力传感器为压电式压力传感器。
7.根据权利要求1所述的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：所述压载物在方形柱体的空心腔内设置有多个。
8.根据权利要求1所述的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：所述方形柱体在波浪水槽内设置有若干个，用于研究桩群对波浪荷载的影响。
9.根据权利要求1所述的波浪对方形桩柱作用荷载研究装置，其特征在于：所述方形柱体的边壁和底部均由不锈钢制成。
10.一种波浪对方形桩柱作用荷载研究装置的测试方法，其特征在于：所述压力数据采集系统实时采集压电式压力传感器上的数据，使得监测作用于方形柱体上的波浪载荷，根据实验工况，可在方形柱体的空腔内放置不同数量的压载物，且在方形柱体上安装不同数量的压力传感器，
所述方形柱体能够在波浪水槽内绕轴线作360度旋转，用于研究不同入射角的波浪对方形柱体波浪荷载的影响，通过方形柱体绕轴线依次以90度旋转一周，将方形柱体的棱角和侧面上测得到的压力数据进行叠加可得到作用在方形柱体上的总波浪荷载，
通过调节相邻方形柱体的中心连线与波向的角度以及相邻方形柱体的间距，用于研究波浪入射角以及方形柱体间距对各个方形柱体所受波浪荷载的影响，通过相邻方形柱体可以研究方形柱体的相互干扰效应，包括串联式、并联式以及一般位置时，方形柱体间距和波浪入射角对于作用在相邻方形柱体上波浪荷载的影响。
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