CN112942454B - 一种v-h复合承载力模型试验加载设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V‑H复合承载力模型试验加载设备及方法，该试验加载设备包括水平向加载系统、竖向加载系统、转换体系、传感器和底板，本发明解决了现有海工基础模型试验中竖向和水平向联合加载的难题，具有如下优点：(1)便利性：结构简单，操作方便，节省人力；(2)适用范围广：适用于大部分海洋重力式、吸力式基础型式，大大降低了模型试验研究基础V‑H复合承载力的难度。(3)重复性高：可多次重复用于基础的复合加载试验。(4)灵活性大：不仅可以较好的实现竖向和水平向荷载的联合施加，还可以单独进行竖向或水平向荷载的施加，应用较为灵活。

Description

一种V-H复合承载力模型试验加载设备及方法

技术领域

本发明属于海洋基础工程技术领域，具体来说涉及一种V-H复合承载力模型试验加载设备及方法。

背景技术

海上油气资源较为丰富，随着经济的迅速发展，大规模开发海上油气资源已成必然趋势，各种钻井、采油和存储等平台也应运而生。此外，经济社会的发展对清洁能源的需求也日趋高涨，推动海上风能等清洁能源的开发迎来新的热潮。无论是各种海洋平台，还是海上风机，为了应对服役期间复杂的海洋环境，基础的设计尤为重要，而承载力是基础设计最基本的问题。

模型试验是研究基础承载力非常重要的一种手段。对于基础单向承载力研究，现有的技术已经非常成熟。但是针对基础在V-H(竖向-水平向)复合荷载作用下的承载力研究还主要依靠数值和理论分析的方法，试验中少有研究。究其原因，主要在于试验中实现V-H联合加载不仅复杂，而且困难。目前获得V-H复合承载力的思路主要有两种，一种是常位移比法，另一种是Swipe方法。常位移比可以搜寻任意荷载空间里地基的加载路径，通过多条加载路径来确定相应荷载空间里地基承载力包络线；Swipe方法可以在荷载空间中直接搜寻地基承载力包络线的大致形状，加荷模式简单。但无论何种方法均涉及到竖向和水平向荷载的联合施加。

现有的加载设备虽然也能够实现竖向和水平向联合加载功能，但往往因为尺寸较大无法匹配试验槽和试验模型、造价过高等问题无法应用于海工基础复合承载力模型试验。因此，海工基础模型试验领域亟需一种造价低、设计合理的联合加载设备，便于开展基础V-H复合承载力模型试验研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种V-H复合承载力模型试验加载设备解决现有海工基础模型试验中竖向和水平向联合加载的难题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种V-H复合承载力模型试验加载设备，包括水平向加载系统、竖向加载系统、转换体系、传感器和底板；

所述水平向加载系统包括滑轨、滑轨板、滑块、水平连接头和限位块；所述滑轨设置有两条，平行固定在滑轨板上；所述滑块顶部焊接有加载板，滑块设置有销钉，拧紧销钉，滑块固定在滑轨上，松动销钉，滑块可以顺畅的在滑轨上滑动；所述水平连接头焊接在滑轨一端，水平连接头底端与滑轨板底面齐平；所述限位块为长方体钢块，焊接在两滑轨之间的另一端；

所述竖向加载系统由加载杆、加载板和支撑板组成；所述加载杆焊接在加载板的中心位置；所述支撑板将水平向加载系统中的滑轨板与转换体系中的加载板焊接连接；

所述转换体系包括转轴、加载板和固定丝杆；所述转轴由轴承和耳板连接而成，耳板两两一组焊接在上、下两块加载板上；所述固定丝杆穿过转换体系上、下加载板的螺栓孔分布在加载板的四角，并通过螺帽将上、下加载板架立固定；

所述传感器为多向力传感器，能同时测得水平和竖向荷载，可根据需求在市场上采购；

所述底板为方形薄钢板，其上呈四方形开设两圈螺栓孔，内侧螺栓孔用于与传感器相连，外侧螺栓孔用于与基础顶板相连。

在上述技术方案中，利用螺栓将竖向加载系统和水平向加载系统的加载板相连；将支撑板的两端分别焊接在水平加载系统的滑轨板和转换体系的上加载板上，从而将水平加载系统与转换体系相连；传感器上侧通过螺栓固定在转换体系的下加载板上，下侧固定在底板上；底板则通过螺栓与基础相连。

在上述技术方案中，所述滑轨为半圆形钢柱，直径3～6cm，长度为30～40cm。

在上述技术方案中，所述滑轨板为矩形薄钢板，长度与滑轨长度相同，宽度为 16～20cm，厚度为5～10mm。

在上述技术方案中，所述滑块外侧为矩形，内侧为圆弧形，直径与滑轨的外径相同；滑块宽度为8～10cm，滑块顶部焊接有加载板。

在上述技术方案中，所述水平连接头由内置螺纹的钢管与条形钢板焊接而成，钢板长度为12～16cm，高度为4～6cm；钢管直径和长度均为3～5cm，壁厚为4～8mm。

在上述技术方案中，所述限位块的尺寸为长2～4cm、宽5～10mm、高1～2cm。

在上述技术方案中，所述加载板为方形薄钢板，边长为16～20cm，厚度为5～10mm，四角共开设有4个螺栓孔。

在上述技术方案中，所述加载杆为圆柱形钢杆，一端车削螺纹，钢杆直径为3～5cm。

在上述技术方案中，所述支撑板为四块长条形钢板，钢板厚度为5～10mm，宽度为3～5cm。

在上述技术方案中，所述转轴整体高度为8～12cm。

在上述技术方案中，所述固定丝杆为通长车削螺纹的钢杆，直径为5～10mm，长度为10～14cm。

在上述技术方案中，所述底板的边长为16～20cm，厚度为5～10mm。

一种V-H复合承载力模型试验加载设备的组装方法按照下述步骤进行：

步骤一、利用螺栓将竖向加载系统和水平向加载系统的加载板相连；

步骤二、将支撑板的两端分别焊接在水平加载系统的滑轨板和转换体系的上加载板上，从而将水平加载系统与转换体系相连；

步骤三、将传感器下侧通过螺栓固定在底板上，上侧通过螺栓固定在转换体系的下加载板上，从而完成加载设备的组装。

一种利用V-H复合承载力模型试验加载设备的竖向加载试验方法：按照下述步骤进行：

步骤一、将组装好的V-H复合承载力模型试验加载设备通过底板与基础顶板螺栓连接；

步骤二、连接加载杆和竖向加载电机；

步骤三、确保滑轨板与各加载板的末端齐平，锁死滑块，调平固定丝杆，连接传感器和数采仪，进行竖向加载。

一种利用V-H复合承载力模型试验加载设备的水平向加载试验方法：按照下述步骤进行：

步骤一、将组装好的V-H复合承载力模型试验加载设备通过底板与基础顶板螺栓连接；

步骤二、连接加载杆和竖向加载电机，此操作是为了在水平向加载时起架立固定加载设备的作用；

步骤三、将加载设备的水平连接头与水平加载电机相连；

步骤四、确保滑轨板与各加载板的末端齐平，放松滑块，拆开固定丝杆，连接传感器和数采仪，进行水平向加载。

一种利用V-H复合承载力模型试验加载设备的V-H复合加载试验方法：按照下述步骤进行：

步骤一、将组装好的V-H复合承载力模型试验加载设备通过底板与基础顶板螺栓连接；

步骤二、连接加载杆和竖向加载电机；

步骤三、确保滑轨板与各加载板的末端齐平，锁死滑块，调平固定丝杆，连接传感器和数采仪，首先进行竖向加载；

步骤四、竖向加载完毕后，放松滑块，拆掉固定丝杆；

步骤五、通过水平连接头将加载设备与水平加载电机连接，继续进行水平向荷载的施加。

本发明的优点和有益效果为：

(1)便利性：本发明结构简单，操作方便，节省人力；

(2)适用范围广：本发明适用于大部分海洋重力式、吸力式基础型式，大大降低了模型试验研究基础V-H复合承载力的难度。

(3)重复性高：本发明可多次重复用于基础的复合加载试验。

(4)灵活性大：本发明不仅可以较好的实现竖向和水平向荷载的联合施加，还可以单独进行竖向或水平向荷载的施加，应用较为灵活。

附图说明

图1是本发明一种V-H复合承载力模型试验加载设备的结构示意图。

图2是本发明水平向加载系统的结构示意图。

图3是本发明转换体系的结构示意图。

其中：1为滑轨，2为滑轨板，3为滑块，4为水平连接头，5为限位块，6为加载板， 7为销钉，8为加载杆，9为支撑板，10为转轴，11为固定丝杆，12为轴承，13为耳板， 14为传感器，15为底板，16为基础。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1至图3所示，一种V-H复合承载力模型试验加载设备，包括水平向加载系统、竖向加载系统、转换体系、传感器14和底板15构成；

水平向加载系统包括滑轨1、滑轨板2、滑块3、水平连接头4和限位块5；滑轨1 设置有两条，平行固定在滑轨板2上；每条滑轨1上设置有锁死功能的滑块3，通过销钉 7将滑块3固定在滑轨1上，以防止进行竖向加载时滑动；松动销钉7，滑块3可以顺畅的在滑轨1上滑动，以便于进行水平向荷载施加；滑块3顶部焊接有加载板6，用于和竖向加载系统连接；滑轨1的一端焊接水平连接头4，用于连接水平加载设备，水平连接头 4的底端与滑轨板2底面齐平；两根滑轨1的另一端焊接有长方体限位块5，防止水平加载过量。

滑轨1为半圆形钢柱，直径4cm，长度为35cm。

滑轨板2为矩形薄钢板，长度与滑轨1长度相同，宽度为18cm，厚度为8mm。

滑块3外侧为矩形，内侧为圆弧形，直径与滑轨1的外径相同；滑块3宽度为9cm，滑块顶部焊接有加载板6。

水平连接头4由内置螺纹的钢管与条形钢板焊接而成，钢板长度为14cm，高度为5cm；钢管直径和长度均为4cm，壁厚为6mm。

限位块5的尺寸为长4cm、宽8mm、高1cm。

加载板6为方形薄钢板，边长为18cm，厚度为8mm，四角共开设有4个螺栓孔。

竖向加载系统由加载杆8、加载板6和支撑板9组成；加载杆8焊接在加载板6的中心位置；支撑板9将水平向加载系统中的滑轨板2与转换体系中的加载板6焊接连接。

加载杆8为圆柱形钢杆，一端车削螺纹，钢杆直径为4cm。

支撑板9为四块长条形钢板，钢板厚度为8mm，宽度为4cm。

转换体系包括转轴10、加载板6和固定丝杆11；转轴10由轴承12和耳板13连接而成，耳板13两两一组焊接在上、下两块加载板6上，转轴10的下侧加载板中间开设螺栓孔，用于固定传感器14；固定丝杆11穿过转换体系上、下加载板6的螺栓孔分布在加载板6的四角，并通过螺帽将上、下加载板6架立固定。

转轴10整体高度为10cm。

固定丝杆11为通长车削螺纹的钢杆，直径为8mm，长度为12cm。

传感器14为多向力传感器，可同时测得水平向和竖向的荷载。

底板15为方形薄钢板，其上呈四方形开设两圈螺栓孔，内侧螺栓孔用于与传感器14 相连，外侧螺栓孔用于与基础16顶板相连。

底板15的边长为18cm，厚度为8mm。

利用螺栓将竖向加载系统和水平向加载系统的加载板6相连；将支撑板9的两端分别焊接在水平加载系统的滑轨板和转换体系的上加载板6上，从而将水平加载系统与转换体系相连；传感器14上侧通过螺栓固定在转换体系的下加载板6上，下侧固定在底板 15上，从而完成加载设备的组装。

实施例2

在进行竖向加载试验时：(1)首先将组装好的V-H复合承载力模型试验加载设备通过底板15与基础16顶板螺栓连接；(2)连接加载杆8和竖向加载电机；(3)确保滑轨板2与各加载板6的末端齐平，锁死滑块3，调平固定丝杆11，连接传感器14和数采仪，进行竖向加载。

实施例3

在进行水平向加载试验时：(1)首先将组装好的V-H复合承载力模型试验加载设备通过底板15与基础16顶板螺栓连接；(2)连接加载杆8和竖向加载电机，此操作是为了在水平向加载时起架立固定加载设备的作用；(3)将加载设备的水平连接头4与水平加载电机相连；(4)确保滑轨板2与各加载板6的末端齐平，放松滑块3，拆开固定丝杆11，连接传感器14和数采仪，进行水平向加载。

实施例4

在进行V-H复合加载试验时：(1)首先将组装好的V-H复合承载力模型试验加载设备通过底板15与基础16顶板螺栓连接；(2)连接加载杆8和竖向加载电机；(3) 确保滑轨板2与各加载板6的末端齐平，锁死滑块3，调平固定丝杆11，连接传感器14 和数采仪，首先进行竖向加载；(4)竖向加载完毕后，放松滑块3，拆掉固定丝杆11； (5)通过水平连接头4将加载设备与水平加载电机连接，继续进行水平向荷载的施加。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种V-H 复合承载力模型试验加载设备，其特征在于：包括水平向加载系统、竖向加载系统、转换体系、传感器和底板；

所述水平向加载系统包括滑轨、滑轨板、滑块、水平连接头和限位块；所述滑轨设置有两条，平行固定在滑轨板上；所述滑块顶部焊接有加载板，滑块设置有销钉，拧紧销钉，滑块固定在滑轨上，松动销钉，滑块可以顺畅的在滑轨上滑动；所述水平连接头焊接在滑轨一端，水平连接头底端与滑轨板底面齐平；所述限位块为长方体钢块，焊接在两滑轨之间的另一端；

所述竖向加载系统由加载杆、加载板和支撑板组成；所述加载杆焊接在加载板的中心位置；所述支撑板将水平向加载系统中的滑轨板与转换体系中的加载板焊接连接；

所述转换体系包括转轴、加载板和固定丝杆；所述转轴由轴承和耳板连接而成，耳板两两一组焊接在上、下两块加载板上；所述固定丝杆穿过转换体系上、下加载板的螺栓孔分布在加载板的四角，并通过螺帽将上、下加载板架立固定；

所述传感器为多向力传感器，所述底板为方形薄钢板，其上呈四方形开设两圈螺栓孔，内侧螺栓孔用于与传感器相连，外侧螺栓孔用于与基础顶板相连；

竖向加载系统和水平向加载系统的加载板相连；支撑板的两端分别焊接在水平向加载系统的滑轨板和转换体系的上加载板上，传感器上侧通过螺栓固定在转换体系的下加载板上，下侧固定在底板上；底板则通过螺栓与基础相连；

所述滑轨为半圆形钢柱，直径3~6cm，长度为30~40cm；所述滑轨板为矩形薄钢板，长度与滑轨长度相同，宽度为16~20cm，厚度为5~10mm；所述滑块外侧为矩形，内侧为圆弧形，直径与滑轨的外径相同。

2.根据权利要求1 所述的一种V-H 复合承载力模型试验加载设备，其特征在于：滑块宽度为8~10cm，滑块顶部焊接有加载板；所述水平连接头由内置螺纹的钢管与条形钢板焊接而成，钢板长度为12~16cm，高度为4~6cm；钢管直径和长度均为3~5cm，壁厚为4~8mm，所述限位块的尺寸为长2~4cm、宽5~10mm、高1~2cm。

3.根据权利要求1 所述的一种V-H 复合承载力模型试验加载设备，其特征在于：所述加载板为方形薄钢板，边长为16~20cm，厚度为5~10mm，四角共开设有4 个螺栓孔，所述加载杆为圆柱形钢杆，一端车削螺纹，钢杆直径为3~5cm。

4.根据权利要求1 所述的一种V-H 复合承载力模型试验加载设备，其特征在于：所述支撑板为四块长条形钢板，钢板厚度为5~10mm，宽度为3~5cm，所述转轴整体高度为8~12cm；所述固定丝杆为通长车削螺纹的钢杆，直径为5~10mm，长度为10~14cm；所述底板的边长为16~20cm，厚度为5~10mm。

5.如权利要求1所述的一种V-H 复合承载力模型试验加载设备的组装方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤一、利用螺栓将竖向加载系统和水平向加载系统的加载板相连；

步骤二、将支撑板的两端分别焊接在水平向加载系统的滑轨板和转换体系的上加载板上，从而将水平向加载系统与转换体系相连；

步骤三、将传感器下侧通过螺栓固定在底板上，上侧通过螺栓固定在转换体系的下加载板上，从而完成加载设备的组装。

6.利用如权利要求1所述的一种V-H 复合承载力模型试验加载设备的竖向加载试验方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤一、将组装好的V-H 复合承载力模型试验加载设备通过底板与基础顶板螺栓连接；

步骤二、连接加载杆和竖向加载电机；

步骤三、确保滑轨板与各加载板的末端齐平，锁死滑块，调平固定丝杆，连接传感器和数采仪，进行竖向加载。

7.利用如权利要求1所述的一种V-H 复合承载力模型试验加载设备的水平向加载试验方法，其特征在于：按照下述步骤进行：

步骤一、将组装好的V-H 复合承载力模型试验加载设备通过底板与基础顶板螺栓连接；

步骤二、连接加载杆和竖向加载电机，此操作是为了在水平向加载时起架立固定加载设备的作用；

步骤三、将加载设备的水平连接头与水平加载电机相连；

步骤四、确保滑轨板与各加载板的末端齐平，放松滑块，拆开固定丝杆，连接传感器和数采仪，进行水平向加载。

8.利用如权利要求1所述的一种V-H 复合承载力模型试验加载设备的V-H 复合加载试验方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤一、将组装好的V-H 复合承载力模型试验加载设备通过底板与基础顶板螺栓连接；

步骤二、连接加载杆和竖向加载电机；

步骤三、确保滑轨板与各加载板的末端齐平，锁死滑块，调平固定丝杆，连接传感器和数采仪，首先进行竖向加载；

步骤四、竖向加载完毕后，放松滑块，拆掉固定丝杆；

步骤五、通过水平连接头将加载设备与水平加载电机连接，继续进行水平向荷载的施加。