CN108999220B - 用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及方法，包括用于设定初始水平循环荷载施加值的水平循环加载模块、采集桩身实时角位移的桩身角位移监测模块、进行角度信号处理和实时校正的角度转换及校正模块和对水平循环荷载进行实时修正的循环荷载幅值控制模块；其中，前述的水平循环加载模块和循环荷载幅值控制模块由下至上搭载布设在支撑框架内，支撑框架靠近水平循环加载模块的外底面刚性连接多直径桩基套筒；其原理简单、操作方便，同时可以使水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，从而达到减小试验装置误差，提高试验精度的目的。

Description

用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及方法，属于海上风机桩基结构动力特性室内模型试验设备技术领域。

背景技术

风能是迄今为止人类开发和利用的最清洁、最环境友好且最具商业价值的能源之一，相比于陆上风能，海上风能具有资源储量大、高风速、低风切变、低湍流、噪音污染小和不占用耕地等优势；我国的风能总储量约32.26亿kW，可开发风能约10亿kW，其中海上风能7.5亿kW。海上风电资源的大力开发在一定程度上降低了我国化石能源的消耗，改善了能源结构和生态环境，有利于我国早日实现经济和社会的健康可持续性发展。海上风机的整体稳定性主要依靠其支撑基础维持，大直径单桩是实际工程中应用最为广泛的海上风机基础形式，因此对桩基结构动力特性的研究一直备受关注。

原位试验和室内试验是主要的试验研究方法，室内试验以其周期短、试验投入低、易于操作、干扰因素少等优点，成为研究海上风机桩基结构动力特性过程中不可或缺的手段。在以往研究中，循环荷载一般通过外加激振器或者以齿轮结构为主的循环加载装置施加。通过外加激振器施加循环荷载的方法，操作复杂而且容易对土体产生扰动；以齿轮结构为主的循环加载装置已有发明专利发表，例如浙江大学国振等人发明的“用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置及方法(CN201510624557.7)”，但是在桩基振动过程中，该循环加载装置提供的水平循环荷载的幅值不断改变，无法施加恒定幅值的水平循环荷载，从而对于采用控制变量法进行研究的试验会产生较大试验误差。因此，有必要开发和研制一种水平循环加载系统和方法，在保证操作简易的同时，使得水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，达到减小试验装置误差，提高试验精度的目的。

发明内容

本发明提供一种用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及方法，其原理简单、操作方便，可以使水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，同时达到减小试验装置误差，提高试验精度的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，包括用于设定初始水平循环荷载施加值的水平循环加载模块、采集桩身实时角位移的桩身角位移监测模块、进行角度信号处理和实时校正的角度转换及校正模块和对水平循环荷载进行实时修正的循环荷载幅值控制模块；其中，前述的水平循环加载模块和循环荷载幅值控制模块由下至上搭载布设在支撑框架内，支撑框架靠近水平循环加载模块的外底面刚性连接多直径桩基套筒；

作为本发明的进一步优选，

前述的水平循环加载模块包括施力齿轮副，前述的施力齿轮副包括位于同一水平面上的相互啮合的主动施力齿轮和被动施力齿轮，主动施力齿轮通过滚珠轴承可旋转套设在主动轴上，被动施力齿轮通过滚珠轴承可旋转套设在从动轴上，其中，主动施力齿轮、被动施力齿轮的底部布设分别套设在主动轴、从动轴上的轴套，由轴套提供支撑；还包括传动齿轮，其与主动施力齿轮咬合，传动齿轮的底面设置固定在支撑框架底部的微型电机，数显电机调速器与微型电机相连；

在主动施力齿轮和被动施力齿轮的表面均开设四个滑槽，相邻的两个滑槽之间呈90度角布设，在主动施力齿轮的其中一个滑槽内可移动连接质量块，在被动施力齿轮与主动施力齿轮对称的滑槽内同样可移动连接一个质量块；

前述的循环荷载幅值控制模块包括控制齿轮组，其包括主控制齿轮和副控制齿轮，还包括同时与主控制齿轮、副控制齿轮啮合的传动控制齿轮，其中，主控制齿轮与主动轴刚性连接，副控制齿轮与从动轴刚性连接，传动控制齿轮通过安装固定在支撑框架顶部的步进电机进行驱动；还包括两根细绳，其中一根细绳的一端缠绕在主动轴上，其另一端连接在主动施力齿轮表面的质量块上，另一根细绳的一端缠绕在从动轴上，其另一端连接在被动施力齿轮表面的质量块上；

前述的桩身角位移监测模块包括陀螺仪传感器，其安装在多直径桩基套筒外表面，且使陀螺仪传感器的敏感轴垂直于桩身转动平面，陀螺仪传感器同时与控制端相连；

前述的角度转换及校正模块包括与陀螺仪传感器双向连接的单片机和固定安装在外部支架上的PCB板，单片机的输出端与步进电机的输入端相连，单片机和霍尔开关器件同时电气连接于PCB板上，还包括固定安装在支撑框架顶面的永磁体，永磁体与霍尔开关器件相对设置；

作为本发明的进一步优选，在主动轴、从动轴与质量块等高的位置处分别开设凹槽，一根细绳的一端缠绕在主动轴的凹槽内，另一根细绳的一端缠绕在从动轴的凹槽内；

作为本发明的进一步优选，还包括为水平循环加载模块、桩身角位移监测模块、角度转换及校正模块和循环荷载幅值控制模块的供电系统，所述的供电系统包括四个稳压直流电源；

作为本发明的进一步优选，前述的多直径桩基套筒内壁为螺纹结构，其外壁为光滑表面，且多直径桩基套筒可与不同直径的桩基进行螺纹连接；

作为本发明的进一步优选，前述的控制端为PC机；

一种采用上述所述的水平循环加载系统进行水平循环加载的方法，包括以下步骤：

第一步：供电系统开始供电后，传动齿轮在微型电机驱动下进行转动，并带动主动施力齿轮绕主动轴进行转动，主动施力齿轮同时带动相啮合的被动施力齿轮绕从动轴进行转动，滚珠轴承将主动施力齿轮与主动轴、被动施力齿轮与从动轴分离，施力齿轮副的转动使得质量块在滑槽中运动并产生离心运动，同时由弹性细绳为质量块提供向心力；

第二步：以单桩垂直且保持静止时为试验起始时刻，此时t₀＝0，当质量块位于滑槽内靠近主动轴或从动轴的一端时，令此时质量块的旋转半径为r₀，陀螺仪传感器监测到的桩身角位移为α₀＝0°，并设置当监测到的角度随时间增加时陀螺仪传感器输出正角度值，当监测到的角度随时间减小时陀螺仪传感器输出负角度值,单片机每隔t ms从陀螺仪传感器读取角度信号α，令主动轴和从动轴的直径为d,则t时刻细绳伸缩的长度为

主动轴和从动轴转过的角度

第三步：试验开始后，单片机在t时刻从陀螺仪传感器读取角度信号α，并通过计算将其转化为角度信号β，然后单片机将角度信号α和β同时传输给步进电机；

第四步：步进电机接受到角度信号α和β后，首先判断α角度的正负值，若α为正值，则电机驱动传动控制齿轮正向转动，从而带动主控制齿轮和副控制齿轮逆向转动，主动轴和从动轴也随之逆向转动，最终使得细绳伸长，质量块转动半径增大，反之，则最终导致细绳缩短，质量块转动半径减小；

第五步：在历时较长的试验中，陀螺仪传感器可能产生测量误差，因此需要对测量到的角度信号α进行校正；以试验起始时刻单桩所在位置为振动的平衡位置，单桩每经过平衡位置时，永磁体触发霍尔开关器件，此时霍尔开关器件输出的电信号发生跳变，通知单片机对角度值进行校正，发生校正时单桩角位移α的正确值只能是0°，即发生角度校正时，若-90°<α<90°，则α重置为0°。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明可以在桩基振动的过程中根据桩基的角位移自动调整施力齿轮副上质量块的转动半径，从而真正实现了保持水平循环荷载幅值不变的试验条件；

通过陀螺仪传感器、单片机、数显电机调速器、霍尔开关器件、步进电机等仪器，对水平循环荷载进行精确控制，从而减小试验误差，提高试验数据精度；

整套系统自动化程度高，操作方便，且易于安装在多种直径的桩基结构上，适用范围较广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的施力齿轮副的施力原理图；

图2为本发明的优选实施例的加载系统工作结构示意图；

图3为本发明的优选实施例的主体结构原理示意图；

图4为本发明的优选实施例的主体结构的正视图；

图5为本发明的优选实施例的主体结构的左视图；

图6为本发明的优选实施例的图4的A-A剖视图；

图7为本发明的优选实施例的图4的B-B剖视图；

图8为本发明的优选实施例的多用途套筒示意图。

图中：1为支撑框架，2为水平循环加载模块，3为循环荷载幅值控制模块，4为桩身角位移监测模块，5为角度转换及校正模块，6为供电系统，1-1为主动轴，1-2为从动轴，1-3为多直径桩基套筒，1-3-1为螺纹结构，1-3-2为外壁，1-4为轴套，2-1为质量块，2-2为主动施力齿轮，2-3为被动施力齿轮，2-4为微型电机，2-5为传动齿轮，2-6为数显电机调速器，2-7为滑槽，2-8为滚珠轴承，3-1为步进电机，3-2为主控制齿轮，3-3为副控制齿轮，3-4为传动控制齿轮，3-5为细绳，4-1为陀螺仪传感器，4-2为PC机，5-1为单片机，5-2为霍尔开关器件，5-3为永磁体，5-4为PCB板，5-5为外部支架。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图8所示，包括以下特征部件：1为支撑框架，2为水平循环加载模块，3为循环荷载幅值控制模块，4为桩身角位移监测模块，5为角度转换及校正模块，6为供电系统，1-1为主动轴，1-2为从动轴，1-3为多直径桩基套筒，1-3-1为螺纹结构，1-3-2为外壁，1-4为轴套，2-1为质量块，2-2为主动施力齿轮，2-3为被动施力齿轮，2-4为微型电机，2-5为传动齿轮，2-6为数显电机调速器，2-7为滑槽，2-8为滚珠轴承，3-1为步进电机，3-2为主控制齿轮，3-3为副控制齿轮，3-4为传动控制齿轮，3-5为细绳，4-1为陀螺仪传感器，4-2为PC机，5-1为单片机，5-2为霍尔开关器件，5-3为永磁体，5-4为PCB板，5-5为外部支架。

图2所示，本发明的一种用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，包括用于设定初始水平循环载荷施加值的水平循环加载模块、采集桩身实时角位移的桩身角位移监测模块、进行角度信号处理和实时校正的角度转换及校正模块和对水平循环荷载进行实时修正的循环荷载幅值控制模块；其中，前述的水平循环加载模块和循环荷载幅值控制模块由下至上搭载布设在支撑框架内，支撑框架靠近水平循环加载模块的外底面刚性连接多直径桩基套筒；

图3-图7所示，作为本发明的进一步优选，

前述的水平循环加载模块包括施力齿轮副，前述的施力齿轮副包括位于同一水平面上的相互啮合的主动施力齿轮和被动施力齿轮，主动施力齿轮通过滚珠轴承可旋转套设在主动轴上，被动施力齿轮通过滚珠轴承可旋转套设在从动轴上，其中，主动施力齿轮、被动施力齿轮的底部布设分别套设在主动轴、从动轴上的轴套，由轴套提供支撑；还包括传动齿轮，其与主动施力齿轮咬合，传动齿轮的底面设置固定在支撑框架底部的微型电机，数显电机调速器与微型电机相连；

在主动施力齿轮和被动施力齿轮的表面均开设四个滑槽，相邻的两个滑槽之间呈90度角布设，在主动施力齿轮的其中一个滑槽内可移动连接质量块，在被动施力齿轮与主动施力齿轮对称的滑槽内同样可移动连接一个质量块；

如图1所示，所述施力齿轮副的基本原理是：施力齿轮副上对称安装的质量块随着主动施力齿轮和被动施力齿轮的转动将产生离心运动，连接质量块和转轴的细绳将为质量块提供大小为F_n＝mrω²的向心力，前述的细绳为无弹性细绳，将此向心力分别沿X轴和Y轴方向分解，得到X轴和Y轴方向的合力为：

F_X＝(m₁-m₂)rω²cosθ

F_Y＝(m₁+m₂)rω²sinθ

当m₁＝m₂时，即保持两个质量块的质量相同时，X轴方向的合力为零，Y轴方向的合力为F＝2mrω²sinθ,这个力和质量块施加给整个支撑框架的拉力等大反向，由此可以通过改变质量块的大小、转动半径和齿轮的转速来实现荷载大小的改变，其中θ＝ωt为细绳与X轴方向的夹角。

导致试验过程中水平循环荷载幅值改变的原因是：在桩基振动过程中，所述施力齿轮副所施加的合力F始终垂直于桩基，当桩基偏离平衡位置，角位移为α时，F在水平方向上的分力为F_h＝2mrω²cosαsinθ，可知水平循环荷载的幅值随着角位移的变化而变化。因此，为了在不改变水平循环荷载相位的前提下，实现水平循环荷载幅值不变的目的，令质量块转动半径

来抵消由于桩基倾斜带来的影响。

前述的循环荷载幅值控制模块包括控制齿轮组，其包括主控制齿轮和副控制齿轮，还包括同时与主控制齿轮、副控制齿轮啮合的传动控制齿轮，其中，主控制齿轮与主动轴刚性连接，副控制齿轮与从动轴刚性连接，传动控制齿轮通过安装固定在支撑框架顶部的步进电机进行驱动；步进电机由电脉冲控制，控制量为转角(即角位移)，可实现对转速和转角的控制；还包括两根细绳，其中一根细绳的一端缠绕在主动轴上，其另一端连接在主动施力齿轮表面的质量块上，另一根细绳的一端缠绕在从动轴上，其另一端连接在被动施力齿轮表面的质量块上；

前述的桩身角位移监测模块包括陀螺仪传感器，其安装在多直径桩基套筒外表面，且使陀螺仪传感器的敏感轴垂直于桩身转动平面，陀螺仪传感器同时与控制端相连；

前述的角度转换及校正模块包括与陀螺仪传感器双向连接的单片机和固定安装在外部支架上的PCB板，单片机的输出端与步进电机的输入端相连，单片机和霍尔开关器件同时电气连接于PCB板上，还包括固定安装在支撑框架顶面的永磁体，永磁体与霍尔开关器件相对设置；

作为本发明的进一步优选，在主动轴、从动轴与质量块等高的位置处分别开设凹槽，一根细绳的一端缠绕在主动轴的凹槽内，另一根细绳的一端缠绕在从动轴的凹槽内；

作为本发明的进一步优选，还包括为水平循环加载模块、桩身角位移监测模块、角度转换及校正模块和循环荷载幅值控制模块的供电系统，所述的供电系统包括四个稳压直流电源；

图8所示，作为本发明的进一步优选，前述的多直径桩基套筒内壁为螺纹结构，其外壁为光滑表面，且多直径桩基套筒可与不同直径的桩基进行螺纹连接；

作为本发明的进一步优选，前述的控制端为PC机；

一种采用上述所述的水平循环加载系统进行水平循环加载的方法，包括以下步骤：

第一步：供电系统开始供电后，传动齿轮在微型电机驱动下进行转动，并带动主动施力齿轮绕主动轴进行转动，主动施力齿轮同时带动相啮合的被动施力齿轮绕从动轴进行转动，滚珠轴承将主动施力齿轮与主动轴、被动施力齿轮与从动轴分离，施力齿轮副的转动使得质量块在滑槽中运动并产生离心运动，同时由弹性细绳为质量块提供向心力；

第二步：以单桩垂直且保持静止时为试验起始时刻，此时t₀＝0，当质量块位于滑槽内靠近主动轴或从动轴的一端时，令此时质量块的旋转半径为r₀，陀螺仪传感器监测到的桩身角位移为α₀＝0°，并设置当监测到的角度随时间增加时陀螺仪传感器输出正角度值，当监测到的角度随时间减小时陀螺仪传感器输出负角度值,单片机每隔t ms从陀螺仪传感器读取角度信号α，令主动轴和从动轴的直径为d,则t时刻细绳伸缩的长度为

主动轴和从动轴转过的角度

第三步：试验开始后，单片机在t时刻从陀螺仪传感器读取角度信号α，并通过计算将其转化为角度信号β，然后单片机将角度信号α和β同时传输给步进电机；

第四步：步进电机接受到角度信号α和β后，首先判断α角度的正负值，若α为正值，则电机驱动传动控制齿轮正向转动，从而带动主控制齿轮和副控制齿轮逆向转动，主动轴和从动轴也随之逆向转动，最终使得细绳伸长，质量块转动半径增大，反之，则最终导致细绳缩短，质量块转动半径减小；

第五步：在历时较长的试验中，陀螺仪传感器可能产生测量误差，因此需要对测量到的角度信号α进行校正；以试验起始时刻单桩所在位置为振动的平衡位置，单桩每经过平衡位置时，永磁体触发霍尔开关器件，此时霍尔开关器件输出的电信号发生跳变，通知单片机对角度值进行校正，发生校正时单桩角位移α的正确值只能是0°，即发生角度校正时，若-90°<α<90°，则α重置为0°。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，其特征在于：包括用于设定初始水平循环荷载施加值的水平循环加载模块、采集桩身实时角位移的桩身角位移监测模块、进行角度信号处理和实时校正的角度转换及校正模块和对水平循环荷载进行实时修正的循环荷载幅值控制模块；其中，前述的水平循环加载模块和循环荷载幅值控制模块由下至上搭载布设在支撑框架内，支撑框架靠近水平循环加载模块的外底面刚性连接多直径桩基套筒；

前述的水平循环加载模块包括施力齿轮副，前述的施力齿轮副包括位于同一水平面上的相互啮合的主动施力齿轮和被动施力齿轮，主动施力齿轮通过滚珠轴承可旋转套设在主动轴上，被动施力齿轮通过滚珠轴承可旋转套设在从动轴上，其中，主动施力齿轮、被动施力齿轮的底部布设分别套设在主动轴、从动轴上的轴套，由轴套提供支撑；还包括传动齿轮，其与主动施力齿轮咬合，传动齿轮的底面设置固定在支撑框架底部的微型电机，数显电机调速器与微型电机相连；

在主动施力齿轮和被动施力齿轮的表面均开设四个滑槽，相邻的两个滑槽之间呈90度角布设，在主动施力齿轮的其中一个滑槽内可移动连接质量块，在被动施力齿轮与主动施力齿轮对称的滑槽内同样可移动连接一个质量块；

前述的循环荷载幅值控制模块包括控制齿轮组，其包括主控制齿轮和副控制齿轮，还包括同时与主控制齿轮、副控制齿轮啮合的传动控制齿轮，其中，主控制齿轮与主动轴刚性连接，副控制齿轮与从动轴刚性连接，传动控制齿轮通过安装固定在支撑框架顶部的步进电机进行驱动；还包括两根细绳，其中一根细绳的一端缠绕在主动轴上，其另一端连接在主动施力齿轮表面的质量块上，另一根细绳的一端缠绕在从动轴上，其另一端连接在被动施力齿轮表面的质量块上；

前述的桩身角位移监测模块包括陀螺仪传感器，其安装在多直径桩基套筒外表面，且使陀螺仪传感器的敏感轴垂直于桩身转动平面，陀螺仪传感器同时与控制端相连；

前述的角度转换及校正模块包括与陀螺仪传感器双向连接的单片机和固定安装在外部支架上的PCB板，单片机的输出端与步进电机的输入端相连，单片机和霍尔开关器件同时电气连接于PCB板上，还包括固定安装在支撑框架顶面的永磁体，永磁体与霍尔开关器件相对设置。

2.根据权利要求1所述的用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，其特征在于：在主动轴、从动轴与质量块等高的位置处分别开设凹槽，一根细绳的一端缠绕在主动轴的凹槽内，另一根细绳的一端缠绕在从动轴的凹槽内。

3.根据权利要求1所述的用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，其特征在于：还包括水平循环加载模块、桩身角位移监测模块、角度转换及校正模块和循环荷载幅值控制模块的供电系统，所述的供电系统包括四个稳压直流电源。

4.根据权利要求1所述的用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，其特征在于：前述的多直径桩基套筒内壁为螺纹结构，其外壁为光滑表面，且多直径桩基套筒可与不同直径的桩基进行螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，其特征在于：前述的控制端为PC机。

6.一种采用权利要求1至权利要求5中任意一项所述的用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统进行水平循环加载的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：供电系统开始供电后，传动齿轮在微型电机驱动下进行转动，并带动主动施力齿轮绕主动轴进行转动，主动施力齿轮同时带动相啮合的被动施力齿轮绕从动轴进行转动，滚珠轴承将主动施力齿轮与主动轴、被动施力齿轮与从动轴分离，施力齿轮副的转动使得质量块在滑槽中运动并产生离心运动，同时由弹性细绳为质量块提供向心力；

第二步：以单桩垂直且保持静止时为试验起始时刻，此时t₀＝0，当质量块位于滑槽内靠近主动轴或从动轴的一端时，令此时质量块的旋转半径为r₀，陀螺仪传感器监测到的桩身角位移为α₀＝0°，并设置当监测到的角度随时间增加时陀螺仪传感器输出正角度值，当监测到的角度随时间减小时陀螺仪传感器输出负角度值,单片机每隔t ms从陀螺仪传感器读取角度信号α，令主动轴和从动轴的直径为d,则t时刻细绳伸缩的长度为

主动轴和从动轴转过的角度

第三步：试验开始后，单片机在t时刻从陀螺仪传感器读取角度信号α，并通过计算将其转化为角度信号β，然后单片机将角度信号α和β同时传输给步进电机；

第四步：步进电机接受到角度信号α和β后，首先判断α角度的正负值，若α为正值，则电机驱动传动控制齿轮正向转动，从而带动主控制齿轮和副控制齿轮逆向转动，主动轴和从动轴也随之逆向转动，最终使得细绳伸长，质量块转动半径增大，反之，则最终导致细绳缩短，质量块转动半径减小；

第五步：在历时较长的试验中，陀螺仪传感器可能产生测量误差，因此需要对测量到的角度信号α进行校正；以试验起始时刻单桩所在位置为振动的平衡位置，单桩每经过平衡位置时，永磁体触发霍尔开关器件，此时霍尔开关器件输出的电信号发生跳变，通知单片机对角度值进行校正，发生校正时单桩角位移α的正确值只能是0°。

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