CN108844729A - 一种冰与导管架结构相互作用的室内模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰与导管架结构相互作用的室内模型试验系统，包括导管架结构模型，冰力加载系统、试验测量系统。模型选用亚克力材料来降低模型的基频；导管架结构模型的冰作用位置设安装支座，实现不同导管架结构模型与冰作用过程的模拟。冰力加载系统，包括支撑装置、冰槽、加载系统；支撑装置包括支撑板、支撑架以及导轨；在冰槽两侧安装滚轮与导轨相对运动；加载系统包括三角形支架、电驱动装置、传动轴、拉绳。试验测量系统包括视频测量模块、冰力测量模块、位移测量模块、加速度测量模块、倾角测量模块、结构应变测量模块。本发明各系统相对独立，可扩展性强，通过更换相关部件即可模拟不同类型结构与海冰相互作用的过程。

Description

一种冰与导管架结构相互作用的室内模型试验系统

技术领域

本发明属于海洋工程领域，涉及一种冰与导管架结构相互作用的室内模型试验系统，主要用途是可以基于该系统在试验室开展冰与导管架结构相互作用的室内模型试验研究。基于该试验系统可以观测冰与导管架结构作用的破碎形式、结构冰振响应情况以及开展冰力与结构响应分析等相关研究。

背景技术

海冰与导管架结构作用会发生断裂、重叠与堆积现象，在短时间内对海洋平台造成比较严重的影响。冰荷载是冰区海洋平台的控制荷载，也是制约抗冰结构设计的主要因素。在海冰的作用下，海洋平台结构会发生静力失效、破坏等安全问题，威胁到结构局部和结构整体的安全运行。平台在海冰的作用下还会发生强烈的冰激振动现象，一方面给海洋平台结构本身和上部管线、设施等造成安全隐患，另一方面也给平台工作人员造成了不适和心理恐慌。

针对海冰与海洋平台结构之间的相互作用问题，国内外学者通过现场观测、数值模拟以及室内试验的方法开展了相关研究。其中现场观测成本高，同时现场海洋环境条件复杂、干扰因素多。而针对海冰问题的数值模拟方法还不够成熟，尚处于发展阶段。而室内实验方法工况可控，能获得较为理想的实验数据，因此是海冰问题研究的重要手段之一。目前，现有的室内模型试验方法存在以下不足：首先，现有试验方法单纯考虑模型相似律理论，然而模型试验的差异不仅表现在几何尺寸上,更重要的是比尺的缩小改变了很多重要的结构参数、运动参数以及动力参数，这就意味着模型试验不一定能够反映真实结构的情况；其次，现有试验技术中大多采用被动加载方式(模型冰板固定不动，驱动模型结构穿过冰板的方式)，没有考虑结构模型刚度对冰的破碎及冰力形式的影响；最后，现有的模型试验方法需要低温试验室和冰池，制冷耗能较大，试验成本较高。因此，如何设计模型试验，达到既能控制试验成本又能观测到冰与导管架结构作用的破碎形式、结构冰振响应情况以及开展冰力与结构响应分析等相关研究的目的，是冰与导管架结构相互作用的室内模型试验设计需要重点考虑的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是设计一种室内模型试验系统，实现冰激结构振动现象的模拟，实现对冰与导管架结构相互作用的相关试验研究。

本发明采取的技术方案：

一种冰与导管架结构相互作用的室内模型试验系统，本试验系统包括导管架结构模型、冰力加载系统、试验测量系统三部分；其中：

所述导管架结构模型参照真实的导管架海洋平台结构，为把缩尺效应降到最低，几何缩比的取值范围是1:1～20；为了使结构模型的基频与真实结构尽量一致，进而保证可以模拟出真实的冰激结构振动现象，模型的制作选用亚克力材料用于降低模型的基频；导管架结构模型的冰作用位置设有安装支座，用于根据需要安装不同形式的锥体或者不同直径的圆柱，实现不同锥体、不同桩径的导管架结构模型与冰作用过程的模拟；

所述冰力加载系统采用典型的主动加载方式，包括支撑装置、冰槽、加载系统；所述的支撑装置包括支撑板、支撑架以及导轨；所述的支撑板是平面钢板，底部设有滚轮；所述的支撑架是通过方管型材梁、柱和横梁通过连接件装配而成的，固定在支撑板面上；所述的导轨设在方管型材梁上，为两条平行的导轨，导轨所在高度和试验中结构模型的冰作用位置一致；所述冰槽，在底部设有可开合的缺口，制取冰板时将缺口闭合，试验时将缺口取出；其中，冰槽底部缺口的宽度大于结构模型受力部位的宽度，缺口沿导轨方向的长度大于试验所需结构模型穿过冰板的距离；冰槽可以在冷柜或者其他冷环境下进行冰板的制取，试验时再安放到导轨上进行试验；冰槽两侧安装滚轮，滚轮与导轨相对运动，冰槽沿导轨方向匀速运动；所述的加载系统包括三角形支架、电驱动装置、传动轴、拉绳；电驱动装置固定在三角形支架上；所述的传动轴在电驱动装置上；所述的拉绳一端连接冰槽，另一端连接传动轴，拉绳方向与导轨方向平行；

所述的试验测量系统包括视频测量模块、冰力测量模块、位移测量模块、加速度测量模块、倾角测量模块、结构应变测量模块；所述的视频测量模块通过摄像头记录冰板的破碎过程；所述的冰力测量模块通过导管架结构与可更换的锥体/圆柱之间安装的力传感器，测量作用在导管架上的总冰力；所述的位移测量模块通过支撑架上设置的位移计，测量导管架模型顶部的绝对位移；所述的加速度测量模块通过导管架模型顶部处平行于振动方向的位置设置加速度传感器，测量模型顶部的加速度；所述的倾角测量模块通过在导管架模型顶部平行于结构振动方向的位置设置倾角传感器，测量模型顶部的倾角响应；所述的结构应变测量模块通过在冰作用位置之下的模型圆柱上设置应变片，测量模型在冰的作用下的结构应变响应。根据试验所测的冰力数据和结构响应数据，可以开展冰力与结构响应之间的相关性研究，为现场真实结构的冰力测量及分析等相关研究提供试验验证。

进一步地，上述加载系统中的电驱动装置为一直流电机。

进一步地，上述的拉绳有两条。

进一步地，上述的方管型材梁、柱和横梁均选用钢材。

根据上述的技术方案，该试验系统具有以下特点：

1.这是一个完整的导管架静动冰力响应模拟试验系统，将导管架结构模型、冰力加载系统、试验测量系统一体化集成，可用于抗冰结构室内模型试验的基础教学及科学研究。

2.通过该试验系统可以开展冰力与结构响应之间的相关性研究，可以为现场真实结构的冰力测量及分析等相关研究提供试验验证。

3.该试验系统的结构模型的基频与真实导管架结构一致，保证了冰振模拟与真实情况一致。

4.该试验系统的成本低，亚克力材料又是环保材料，并且不需要将整个试验系统置于冷环境下，试验耗能也将大大降低。

5.该试验系统采用电驱动装置提供驱动力，既能保证冰板匀速运动，更符合导管架平台冰荷载的工况，又能降低试验成本。

6.该试验系统中方管型材柱的高度可调节，满足不同加载位置的要求，以模拟不同潮位下结构的静动冰力响应。

7.该试验系统采用模块化设计，各部分均相对独立，方便后期的更换、维修和养护，可扩展性强。

附图说明

图1为室内导管架模型试验系统总方案示意图；

图2为支撑装置示意图；

图3为室内导管架模型试验系统俯视图；

图4为冰槽示意图；

图5为试验测量系统示意图；

图中：1导管架结构模型；2冰力加载系统；3试验测量系统；4方管型材柱；5方管型材梁；6横梁；7连接件；8锚固件；9平面钢板；10导轨；11螺孔；12滚轮；13三角形支架；14电驱动装置；15传动轴；16拉绳；17冰槽；18冰槽滚轮；19可开合缺口；20螺栓；21冰板；22摄像头；23固定杆；24力传感器；25位移计；26辅助件；27加速度传感器；28倾角传感器；29应变片；30可拆卸锥体。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本试验系统进行详细描述。

如图1所示，本发明所述的一种冰与导管架结构相互作用的室内模型试验系统，包括三大部分：导管架结构模型1、冰力加载系统2、试验测量系统3。可通过该试验系统实现冰激结构振动现象的模拟，实现对冰与导管架结构相互作用的相关试验研究。

试验前首先根据试验需要调整冰力加载系统2，其支撑装置如图2所示。支撑装置是由方管型材柱4、方管型材梁5、和横梁6通过连接件7组装的框架结构；方管型材柱4通过锚固件8固定在平面钢板9上；方管型材柱4的高度分为3档，其高度根据潮位可调整；方管型材梁5设有两条平行导轨10；为了便于安装导管架结构模型，平面钢板9上预设若干螺孔11；为方便该试验系统移动，平面钢板9底部装有四个滚轮12。平面钢板9上安装有冰力加载系统，冰力加载系统如图3所示，包括三角形支架13、电驱动装置14、传动轴15、拉绳16；三角形支架13作为电驱动装置14的支撑，固定在平面钢板9上；拉绳16一端连接传动轴15，另一端连接冰槽17；试验时启动电驱动装置14使传动轴15转动，通过拉绳16拉动冰槽17运动。如图4所示，在冰槽17两侧安装冰槽滚轮18，冰槽滚轮与导轨10相对运动，使冰槽17能沿导轨方向匀速运动。冰槽17底部设有可开合的缺口19，制取冰板时将缺口闭合，试验时再将缺口取出；缺口的宽度大于结构模型受力部位的宽度，缺口沿导轨方向的长度大于试验所需结构模型穿过冰板的距离。

然后安装导管架结构模型1，通过螺栓20将导管架结构模型1固定在平面钢板9上。试验所需冰板21采用和自然海冰成分接近的冻结冰。将海水注入冰槽17，在冷库中制取冰板21。

如图5所示，试验测量系统包括视频测量、冰力测量、位移测量、加速度测量、倾角测量、结构应变测量。视频测量包括摄像头22、固定杆23。固定杆23通过连接件固定在方管型材梁5上，摄像头22安装在固定杆23上，记录冰板的破碎过程。冰力测量是在导管架结构模型受力部位安装力传感器24，测量作用在导管架结构模型上的总冰力。结构响应测量包括位移计25、辅助件26、加速度传感器27、倾角传感器28、应变片29。位移计25安装在固定杆23上，使得位移计高度与模型结构顶部高度一致，在导管架模型顶部伸出一个辅助件26，便于位移计测量结构模型顶部的位移；在导管架结构模型1的上部顶板处选择平行于振动方向的位置安装加速度传感器27、倾角传感器28，测量模型结构的加速度、倾角；在导管架模型1桩柱下部安装应变片29，测量模型结构应变。

试验准备阶段，首先将室内导管架模型试验系统各个部分组装并调试完成，将冰槽移动到横梁6处。试验开始时，开启各电源开关，启动电驱动装置，使传动轴以一定速率转动，通过拉绳拉动冰槽匀速向直立结构模型运动。试验进行时，通过各传感器测量结构响应和冰况。当结构模型接近冰槽缺口的边缘时，电驱动装置停止，试验结束。

试验结束后，如图5所示，在导管架模型受力处加上可拆卸椎体30，将冰槽取下，换上一块新的冰板后再次将冰槽安放到导轨上，重新开始试验，重复上述过程，再进行冰与锥体结构作用的试验模拟。

Claims (5)

1.一种冰与导管架结构相互作用的室内模型试验系统，其特征在于，本试验系统包括导管架结构模型、冰力加载系统、试验测量系统三部分；其中：

所述导管架结构模型参照真实的导管架海洋平台结构，为把缩尺效应降到最低，几何缩比的取值范围是1:1～20；模型的制作选用亚克力材料用于降低模型的基频；导管架结构模型的冰作用位置设有安装支座，用于根据需要安装不同形式的锥体或者不同直径的圆柱，实现不同锥体、不同桩径的导管架结构模型与冰作用过程的模拟；

所述冰力加载系统采用典型的主动加载方式，包括支撑装置、冰槽、加载系统；所述的支撑装置包括支撑板、支撑架以及导轨；所述的支撑板是平面钢板，底部设有滚轮；所述的支撑架是通过方管型材梁、柱和横梁通过连接件装配而成的，固定在支撑板面上；所述的导轨设在方管型材梁上，为两条平行的导轨，导轨所在高度和试验中结构模型的冰作用位置一致；所述冰槽，在底部设有可开合的缺口，制取冰板时将缺口闭合，试验时将缺口取出；其中，冰槽底部缺口的宽度大于结构模型受力部位的宽度，缺口沿导轨方向的长度大于试验所需结构模型穿过冰板的距离；冰槽两侧安装滚轮，滚轮与导轨相对运动，冰槽沿导轨方向匀速运动；所述的加载系统包括三角形支架、电驱动装置、传动轴、拉绳；电驱动装置固定在三角形支架上；所述的传动轴在电驱动装置上；所述的拉绳一端连接冰槽，另一端连接传动轴，拉绳方向与导轨方向平行；

所述的试验测量系统包括视频测量模块、冰力测量模块、位移测量模块、加速度测量模块、倾角测量模块、结构应变测量模块；所述的视频测量模块通过摄像头记录冰板的破碎过程；所述的冰力测量模块通过导管架结构与可更换的锥体/圆柱之间安装的力传感器，测量作用在导管架上的总冰力；所述的位移测量模块通过支撑架上设置的位移计，测量导管架模型顶部的绝对位移；所述的加速度测量模块通过导管架模型顶部处平行于振动方向的位置设置加速度传感器，测量模型顶部的加速度；所述的倾角测量模块通过在导管架模型顶部平行于结构振动方向的位置设置倾角传感器，测量模型顶部的倾角响应；所述的结构应变测量模块通过在冰作用位置之下的模型圆柱上设置应变片，测量模型在冰的作用下的结构应变响应。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，加载系统中的电驱动装置为一直流电机。

3.根据权利要求1或2所述的试验系统，其特征在于，所述的拉绳有两条。

4.根据权利要求1或2所述的试验系统，其特征在于，所述的方管型材梁、柱和横梁均选用钢材。

5.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于，所述的方管型材梁、柱和横梁均选用钢材。