CN109357829A - 一种适用于模拟水下多点地震输入的波-流耦合试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于水下多点地震输入的波‑流耦合试验装置，包括：两个蓄水池、试验水槽、造流平台、造流装置、造波装置、位于试验水槽内的振动台和消波板，其特征在于，两个蓄水池一个是主蓄水池，一个是L形蓄水池，造流平台置于L形蓄水池的靠内一侧，在造流平台上设置有开设有口的第二竖向挡板，造流装置置于两个竖向挡板之间的造流平台上，其出口连通到第二竖向挡板上的开口处；试验水槽的底部一侧与主蓄水池相连通，另一侧与造流平台相连通，在试验水槽底部靠中间位置留有开口区域，在所述开口区域布置振动台；造波装置和消波板分别位于试验水槽的两边。本发明既能够在多点地震激励，也能够实现地震动‑波浪‑水流耦合作用。

Description

一种适用于模拟水下多点地震输入的波-流耦合试验装置

技术领域

本发明主要涉及土木和水利工程学科防震减灾领域，具体而言，是涉及一种适用于模拟水下多点地震输入的波-流耦合试验装置。

背景技术

2018年，我国地震工程领域首个国家重大科技基础设施——大型多点地震工程模拟研究设施，由天津大学牵头建设。该装置总建筑面积预计达7.7万平方米，建设周期为5年，建设完成后，将为世界重大工程的抗震研究提供有效平台。在此背景下，一些长大结构(如：跨海大桥、海底隧道和大型水电站等)，是需要考虑地震波在传播过程中的产生的多点波动效应(如：行波效应、衰减效应、场地效应和相干效应等)，这是因为，这些效应造成结构的不同部位受到不同的地震波作用不容忽视。于是，要进行多点地震试验来模拟此类长大结构的地震响应。但是，随着工程技术水平的发展和人们对于结构安全性要求的提升，当前已有的多点地震试验装置尚无法提供更加科学可靠的地震试验分析，这是由于对于水域环境下的长大结构而言，其需要同时考量在多种因素(地震动-波浪-水流耦合)作用下的多点地震研究分析。因为对于海上结构而言，受到环境影响的因素十分复杂。其复杂之处在于，不仅要考虑多点地震作用，还要考虑波浪和水流作用：波浪是水质点的振动引起的能量传递，水流是水质点的运动位移产生的冲击作用，分别属于不同的荷载，都能够对结构产生影响。

然而，现有地震模拟振动台的应用仍然具有一定的局限性，主要集中于以下几种情况：(1)只能实现地震动的一致输入(单点)，但不能实现水下地震振动台模拟；(2)可以实现地震动的一致输入(单点)，并且能够实现水下单点振动台模拟，但是不能实现水下多点振动台模拟；(3)虽然可以实现地震动的多点输入，但是不能同时考虑水域环境下多种因素(波浪和水流耦合)作用下的地震研究分析。并且，对于已有的振动台阵能够满足多维多点激励的需求，也是受限于振动台安装的位置和形式，只能模拟桥梁等离散形式的多点输入，不能研究如水电站和大坝等考虑离散多点输入来模拟地震动的实际连续输入的问题。而在实际工程情况中，水域环境往往复杂多变，并且结构具有跨度大的特点。因此，地震的多点波动效应和复杂环境因素的影响必须充分考虑在内，才能更加科学可靠的实现水域长大结构的地震试验模拟和分析。

总体而言，现有的地震模拟装置不能解决上述问题。目前缺少一种既能够应用在单点地震激励，也能应用在多点地震激励，同时能够实现地震动-波浪-水流耦合作用的地震试验模拟装置。

发明内容

本发明为解决目前缺少一种既能够应用在单点地震激励，也能应用在多点地震激励，同时能够实现地震动-波浪-水流耦合作用的地震试验模拟装置的问题，提供了一种适用于模拟水下多点地震输入的波-流耦合试验装置。该装置能够满足振动台各种布置形式的应用，也能够实现地震动-波浪-水流耦合作用。本发明采取以下技术方案：

一种适用于水下多点地震输入的波-流耦合试验装置，包括：两个蓄水池、试验水槽、造流平台、造流装置、造波装置、位于试验水槽内的振动台和消波板，其特征在于，两个蓄水池一个是主蓄水池，一个是L形蓄水池，造流平台置于L形蓄水池的靠内一侧，通过造流平台和第一竖向挡板形成L形蓄水池，在造流平台上设置有开设有口的第二竖向挡板，造流装置置于两个竖向挡板之间的造流平台上，其出口连通到第二竖向挡板上的开口处；

所述试验水槽的底部高于主蓄水池，一侧与主蓄水池相连通，另一侧与造流平台相连通，在试验水槽底部靠中间位置留有开口区域，在所述开口区域布置振动台；两个蓄水池的下部通过连通管相连通；

造波装置和消波板分别位于试验水槽的两边，所述消波板包括消波前板和消波后板，两者上面间隔设置有开孔，且两者的开孔呈现交错布置；

在所述试验水槽的开口区域的外周连接有刚性防水板，所述的振动台通过柔性防水材料与刚性防水板密封连接。

优选地，在所述造流平台上设计从造流装置到试验水槽的八字形开口的稳流段，水流流入试验水槽时避开分别位于试验水槽的两边的造波装置和消波板，以将造流装置产生的水流均匀扩散到所需试验区域，防止水流直接冲击造波装置和消波板，所述振动台的振动台面和所述试验水槽底部的上表面处在同一高度。

本发明具有的优点和积极效果是：

一)本装置能够实现结构在多点地震动-波浪-水流耦合作用下的研究。

二)本装置既能够实现单点地震激励下的波浪-水流耦合作用，也能够实现多点地震激励下的波浪-水流耦合作用。

三)本装置依靠刚性防水板的拼装性，能够满足振动台各种布置形式的应用。对于多点地震试验而言，该装置除了能够应用在离散形式的多点输入试验外，也同样能够应用在离散多点输入来模拟地震动的实际连续输入试验。

四)本装置结构形式简单，依靠联通管能够自动调节两个蓄水池的水位，形成循环水流，大大降低了成本。

附图说明

图1为本装置俯视结构示意图。

图2为本装置正视结构示视图。(箭头为水的流向示意标志)

图3为试验水槽细部说明图。

图4为消波前、后板安装示意图。

图中：1a、主蓄水池；1b、L形蓄水池；2、试验水槽；3、造流平台；3a、造流装置；3b、稳流段；4、造波装置；5、连通管；6、振动台；7、刚性防水板；8、柔性防水材料；9a、消波前板；9b、消波后板；10、泄水孔；a、隔板；b、安装卡槽；11、第一竖向挡板；12、第二竖向挡板。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹举以下实施例，并配合附图。

参见图1和图2，本发明是适用于水下多点地震输入的波-流耦合试验装置，包括：两个蓄水池、试验水槽2、造流平台3、造流装置3a、造波装置4、位于试验水槽内的振动台6和消波板。两个蓄水池一个是主蓄水池1a，一个是L形蓄水池1b；造流平台3置于L形蓄水池1b的靠内一侧，通过造流平台3和第一竖向挡板11形成L形蓄水池1b，在造流平台3上设置有开设有口的第二竖向挡板12，造流装置3a置于两个竖向挡板之间的造流平台3上，其出口连通到第二竖向挡板12上的开口处。利用所述造流装置3a从L形蓄水池1b的底部抽水形成循环水流，以研究试验对象处在波浪-水流耦合作用下的多点地震响应。

结构详细说明如下：

所述两个蓄水池分别包含顶部同时开口的主蓄水池1a和L形蓄水池1b，并在主蓄水池1a底部设计泄水孔10。

所述试验水槽2的底部高于主蓄水池1a，一侧与主蓄水池1a相连通，另一侧与造流平台3相连通。在试验水槽2底部靠中间位置留有开口区域，在所述开口区域布置振动台6，所述振动台6的振动台面和所述试验水槽2底部的上表面处在同一高度；两个蓄水池的下部通过连通管5相连通。

在所述造流平台3上布置安装造流装置3a，并设计管道c穿越所述造流平台3的底面从L形蓄水池1b的底部抽水。同时在所述造流平台3上设计从造流装置3a到试验水槽2的八字形开口的稳流段3b，所述稳流段3b的一侧和造流装置3a嵌合，另一侧和隔板a以及安装卡槽b的内侧连接，水流流入试验水槽时避开分别位于试验水槽的两边的造波装置和消波板，以将造流装置3a产生的水流均匀扩散到所需试验区域。

由于所述造流装置3b难以直接与所述稳流段3b相匹配，所以设置第二竖向挡板12，保证真个系统的密封性，同时在所述第二竖向挡板12上设计开口，保证所述造流装置3b的造流出口和设计开口相嵌合。

在所述试验水槽2设置造波装置4的那一侧设计隔板a，所述隔板a和试验水槽2的边壁相连，以避免造流装置3a产生的水流直接冲击造波装置4影响试验精度；在所述试验水槽2的另一侧设计一对安装卡槽b，所述安装卡槽b也和试验水槽2的边壁相连，间隔一定距离布置，可以安装消波前板9a和消波后板9b。

其中，所述的消波前板9a和消波后板9b，是通过所述试验水槽2上的安装卡槽b安装固定。安装时，消波前板9a安装在靠近造波装置4的一侧，消波后板9b安装在远离造波装置4的一侧。同时所述消波后板9b正向布置在所述消波前板9a的后端。并且所述消波前板9a和所述消波后板9b上侧都做间隔设置的圆形开孔。安装时，所述消波前板9a的圆形开孔和消波后板9b的圆形开孔呈现交错布置。所述消波前板9a和所述消波后板9b的设计长度比所述造波装置4的工作宽度略长，并且安装时，所述消波前板9a和所述消波后板9b正对着所述造波装置4。

消波板的作用：试验模拟时，造波装置产生的波浪会在试验水槽的边壁产生反射，并和原来的波浪产生干涉二次影响试验对象，而实际海域中并没有此类作用，于是安装设计消波板消除波浪的反射并避免干涉作用，模拟实际海域中无边界情况。

参见图3，本发明中，对于模拟多点地震动试验，需要至少两个振动台根据试验方案进行设计安装，由此导致地震模拟试验的振动台台面的布置形式是不确定性的。所以在试验水槽2中部留有较大的开口区域，用以安装振动台6，并在剩余的开放区域用刚性防水板7和试验水槽2进行无缝拼接，形成围合振动台面的拼装区域。同时在振动台面周围留出空隙区域，在空隙区域用柔性防水材料8做密封处理。

需要特别说明的是，所述柔性防水材料8在空隙区域做密封处理时，需要留有富余作用长度，避免振动台6工作时直接受到所述柔性防水材料8的作用影响。在试验水槽2下部有较大的空间，主要用于安装振动台以及布置一些油压装置和输油管道等等。本装置中所述造流装置3a产生的水流，由于在稳流段3b和试验水槽2产生了地形上的变化，实际的流速需要进行换算应用。

本发明是适用于模拟水下多点地震输入的波-流耦合试验装置，其配备有数字控制系统，利用该系统控制振动台模拟实际的地震作用，并且实时控制造波装置4的产生的波高和波长，以及控制造流装置3a产生的流量，以此满足不同情况所需的不同试验条件。

参见图2，本装置方案设计的水流循环系统：由造流装置从L形蓄水池1b底部抽水，水流通过稳流段3b，通过试验水槽2，到达主蓄水池1a，然后根据U形管原理，水流通过连通管5自动回到L形蓄水池1b，完成循环。

详细试验方案的步骤如下：

(1)首先，拟定试验方案，在理论上确定对于试验对象的地震动输入情况，并设计振动台的安装方案，完成振动台6的布置安装。

(2)安装刚性防水板7和柔性防水材料8，并做好密封以及防渗处理。

(3)在主蓄水池1a和L形蓄水池1b内注入试验用水，并且确保注入水位稍微淹没过振动台6的台面。

(4)进行密封检查步骤：打开造波装置4和造流装置3a，观察振动台6及其周围的密封处理是否渗水，确保试验的安全性和准确性。

(5)完成检查后，通过泄水孔10放水至水位低于振动台6台面的高度，在振动台6台面上安装试验对象。

(6)重新在主蓄水池1a和L形蓄水池1b内注入试验用水，并且确保注入水位高度是试验所需水位高度。

(7)根据要求在数字控制中输入所需试验的波浪和水流资料，打开造波装置4和造流装置3a，制造水流以及波浪情况。

(8)根据要求在数字控制中输入所需试验的地震特征资料，打开振动台6的作用开关，开始试验。

(9)试验完成，先关闭振动台6，然后关闭造波装置4和造流装置3a。

本申请的一个优选的方案中，所述试验水槽2、所述主蓄水池1a、所述L形蓄水池1b和所述稳流段3b的高度可以根据实际需要模拟的水深进行设计，并且所述连通管5的大小也可根据实际试验模拟的情况进行设计。

作为优选的方案，所述柔性防水材料8做密封处理时，可采用防水蓬布粘合在刚性防水板7和振动台6之间，粘合处需要做防水处理。

作为优选的方案，在所述刚性防水板7做拼接后，以及柔性防水材料8在空隙区域密封时，需要在拼接处做防水处理，可优选采用防水胶凝填涂在缝隙处。

作为优选的方案，造波装置4在选择时，采用冲箱式造波机。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式仅仅具有示意性，并不具有限制性。本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出诸多形式的改变，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于水下多点地震输入的波-流耦合试验装置，包括：两个蓄水池、试验水槽、造流平台、造流装置、造波装置、位于试验水槽内的振动台和消波板，其特征在于，两个蓄水池一个是主蓄水池，一个是L形蓄水池，造流平台置于L形蓄水池的靠内一侧，通过造流平台和第一竖向挡板形成L形蓄水池，在造流平台上设置有开设有口的第二竖向挡板，造流装置置于两个竖向挡板之间的造流平台上，其出口连通到第二竖向挡板上的开口处；

所述试验水槽的底部高于主蓄水池，一侧与主蓄水池相连通，另一侧与造流平台相连通，在试验水槽底部靠中间位置留有开口区域，在所述开口区域布置振动台；两个蓄水池的下部通过连通管相连通；

造波装置和消波板分别位于试验水槽的两边，所述消波板包括消波前板和消波后板，两者上面间隔设置有开孔，且两者的开孔呈现交错布置；

在所述试验水槽的开口区域的外周连接有刚性防水板，所述的振动台通过柔性防水材料与刚性防水板密封连接。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，在所述造流平台上设计从造流装置到试验水槽的八字形开口的稳流段，水流流入试验水槽时避开分别位于试验水槽的两边的造波装置和消波板，以将造流装置产生的水流均匀扩散到所需试验区域，防止水流直接冲击造波装置和消波板。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述振动台的振动台面和所述试验水槽底部的上表面处在同一高度。