CN113109013A - 风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台 - Google Patents

风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了风‑波浪‑地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，包括振动台台阵、造波池、反力墙和风洞。振动台台阵位于水下，子振动台为三向六自由度振动台，台面与造波池池底齐平，可实现多子台的同步/异步控制；反力墙位于造波池一侧，可安装作动器配合振动台进行混合试验模拟；造波池内侧设置有造波机群，可根据试验要求在造波池内侧加装消波装置。本发明的优点是：可实现风、波浪的生成以及振动台台阵激励的同步/异步控制，用于模拟试验风荷载、波浪荷载以及地震荷载三种工况单独作用或任意多工况耦合作用下结构的动力响应。

Description

风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台
技术领域
本发明专利涉及一种可用于桥梁、高耸结构、海上风电以及海上平台等结构的多灾耦合混合试验模拟平台，涉及结构工程、水利工程和海洋工程。
背景技术
地震模拟振动台试验能够真实地再现地震波，直观的了解结构在地震下的破坏机理。上世纪40年代结构工程首次利用地震模拟振动台来模拟地震作用，60年代以后地震模拟振动台开始被广泛建设，主要分布在日本、中国和美国，其中日本的地震模拟振动台规模最大，数量最多。我国地震模拟振动台的研制始于70年代后期，1997年我国首次建成三向六自由度大型地震模拟振动台，振动台研制进入了世界先进水平。目前国内外现存、在建多灾耦合混合试验平台稀少，且现存试验平台支持的灾害模拟种类较为单一，主要有水下振动台、风浪联合模拟风洞等。
日本京都大学水下振动台和目前世界上最大的水下振动台-日本港湾空港技术研究所水下振动台都设置有水池和三向六自由度水下振动台，可进行港湾设施的抗震性能、地基液化特性研究以及结构抗震与隔震等方面的研究开发，二者均考虑了水下环境对结构抗震的影响，但并未考虑地震与风、波浪(流)的耦合作用；大连理工大学二维水下电液伺服地震模拟系统在前两者的基础上加设了造波装置，考虑了地震与波浪(流)的耦合作用，但其为二维振动台，且仍未考虑风、波浪(流)和地震三者的耦合；河海大学模拟地震水下振动台在大连理工大学二维水下电液伺服地震模拟系统的基础上改用了三向六自由度振动台；天津大学水下地震模拟振动台台阵是世界上首台水下地震模拟振动台台阵系统，并设置有双向造波机群，可实现考虑多点多维强震激励和流固耦合动力效应，美中不足的是其仍未考虑风与波浪(流)、地震的耦合作用。
此外，BLWT-II风洞实验室、香港科技大学风浪联合作用中电风洞试验所、哈尔滨工业大学大气边界层风洞与浪槽联合实验室、美国缅因大学Alfond W2海洋工程实验室以及上海交通大学海洋工程国家重点实验室均具备了实现风浪联合模拟试验的功能，西南交通大学风雨振专用风洞等实现了风雨激振的风雨耦合灾害模拟试验。
近年来我国桥梁、高耸结构、陆上风电、海上风电以及海上平台等结构建设量巨大，迫切需要开展对上述结构性能的试验研究。对于桥梁、高耸结构、陆上风电、海上风电以及海上平台等结构来说，需要考虑风、波浪(流)以及地震作用的耦合，工况复杂，仅靠地震模拟振动台或其他单一工况模拟试验平台难以准确的反应结构在多灾耦合复杂工况下的真实响应，现有多灾耦合模拟平台难以满足试验需求。
发明内容
本发明的目的就是克服现有多灾耦合模拟试验平台的不足，并为此提出了一种可用于桥梁、高耸结构、海上风电以及海上平台等结构的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，结合了水下地震模拟试验平台以及风浪联合模拟试验平台的优势，从而解决现有多灾耦合模拟试验平台工况单一，无法进行风、波浪、水流、地震耦合作用下工程结构动力响应模拟试验的问题。
总体来说，本发明提供了一种用于风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，包括设置有振动台安装槽的造波池，所述振动台安装槽中设置有台面与造波池底面齐平且密封连接的振动台台阵，所述造波池沿长轴方向一侧设置有反力墙，沿短轴方向一侧上方设置有低速风洞出风口，另一侧设置有地下油源间。
所述造波池内侧设置有造波机，沿造波池的短轴向池壁等间距布置，根据试验需求情况可在短轴另一侧加装消波机，池底设置进水/泄水孔。
所述振动台台阵采用三向六自由度地震模拟振动台，振动台的数量、性能、规格以及排列可结合所述风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的规模大小按需选取。
所述反力墙由钢筋混凝土制成，内侧均匀布置多个预留的水平安装孔，可安装水平作动器配合振动台进行混合试验模拟。
所述低速风洞为直流式低速风洞，其应包含收缩段、风扇、稳定段和扩压段等。
造波池、振动台台阵以及低速风洞的性能参数应充分考虑相似理论进行设计，以模拟试验风荷载、波浪(流)荷载以及地震荷载三种工况单独作用或任意多工况耦合作用下结构的动力响应。
相较于现有的多灾耦合模拟试验平台，本发明的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的显著优势在于，可以模拟试验出风荷载、波浪(流)荷载以及地震荷载中任意两种工况或三种工况耦合作用下结构的动力响应。
将所述风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台与计算机数值模拟技术或岩土工程立体综合模拟试验平台相结合，可实现风荷载作用下结构减振性能研究、风荷载作用下波浪(流)-土-结构相互作用动力响应研究，以及地震作用下风-波浪(流)-土-结构相互作用动力响应研究等混合试验。
通过将所述风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台与数值仿真、子结构试验技术以及其他工程试验平台相结合，可实现复杂工况下非线性结构的动力响应模拟试验及相关研究，具有灵活性、可靠性和稳定性。
附图说明
以下附图仅旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1-4是根据本发明的一个具体实施例的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的结构示意图；
图1是根据本发明的一个具体实施例的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的立体结构示意图；
图2是图1的俯视示意图；
图3是图1的纵向剖视示意图，即B-B剖面图；
图4是图1的横向剖视示意图，即A-A剖面图；
图5-8是本发明风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的使用功能示意图，仅截取本风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的试验区域进行示意说明。
图5显示的是本发明进行波浪(流)与地震耦合作用下桥梁以及海洋工程结构动力响应模拟试验的示意图，以海底输油管道为例；
图6是本发明进行风与波浪(流)耦合作用下桥梁以及海洋工程结构动力响应模拟试验的示意图，以海上平台为例；
图7是本发明进行风与地震耦合作用下桥梁结构以及电视塔、风力发电结构等高耸结构动力响应模拟试验的示意图，以电视塔为例；
图8是本发明进行风、波浪(流)和地震耦合作用下海上风电等海洋工程结构动力响应的模拟试验的示意图，以海上风电结构为例。
图中标记：1-振动台台阵，2-造波池，3-造波机群，4-进/泄水孔，5-油源间，6-反力墙，7-低速风洞，8-海底输油管道试验模型，9-海上平台试验模型，10-电视塔试验模型，11-海上风机试验模型，其中相同的部件采用相同的编号。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图和实施例说明本发明的具体技术方案。
图1、图2分别以立体图、俯视图显示了本发明的结构布局，图3、图4以剖视图显示了本发明的内部构造，图1-4均为简略画法，仅用于帮助本领域人员理解。
参见说明书附图1、2，本发明所述风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，包括设置有进/泄水孔4以及振动台安装槽的造波池2，所述振动台安装槽中设置有台面与造波池底面齐平且密封连接的振动台台阵1，所述造波池沿长轴方向一侧设置有反力墙6，沿短轴方向一侧设置有造波机群3，在所述造波机群3的上方设置有低速风洞7的出风口，另一侧设置有油源间5。
如说明书附图2-4所示，振动台台阵1的台面与造波池2的池底等高，子振动台采用三向六自由度地震模拟振动台，振动台的数量、性能、规格以及排列方式可结合所述风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的规模大小按需选取，图示实施例中选用两小一大三台振动台，沿短轴方向并排设置。
如说明书附图1-4所示，造波池2内侧设置有造波机群3，造波机沿造波池2的短轴向池壁等间距布置，可产生试验要求的波浪、水流等工况。根据试验需求，可以选择在另一侧短轴侧池壁加装消波机，造波池2的池底设置进水/泄水孔4。
如说明书附图1-4所示，反力墙6设置于造波池2一侧，由钢筋混凝土制成，均匀布置多个预留的水平安装孔，用于安装水平作动器。
如说明书附图1-4所示，低速风洞7包含收缩段、风扇、稳定段和扩压段等，低速风洞7的出风口正对造波池2和振动台台阵1上方，在不影响造波池2中波浪(流)模拟的情况下亦可将出风口延伸到振动台台阵1上方，以使得多灾耦合试验模拟时结构所受的风荷载更加均匀、稳定。
如说明书附图1-4所示，油源间5位于造波池一侧的地面以下，并与造波池下的振动台安装槽相通，油源间5内设置蓄能组和油泵站，通过输油管道与振动台台阵1连接，控制振动台台阵1产生试验所要求的位移、速度或加速度激励。
为确保多灾耦合模拟试验合理协调、真实可靠，当振动台台阵1、造波机群3、以及低速风洞7自由组合协同工作时，各装置输入试验结构的激励需要按照相似理论，参考试验模型的缩尺比等多方面因素综合设计。
参见说明书附图5-8，通过振动台台阵1、造波池2、造波机群3、反力墙6以及低速风洞7的协同工作，可实现下述类型的模拟试验：
(1)工程结构抗震试验：当振动台台阵1模拟地震工况时，若造波池2不蓄水，可进行大跨度结构的空间多点、多维振动响应模拟试验，并可结合反力墙6进行复杂边界条件的振动台子结构试验；而若造波池2蓄水，可实现水动力耦合条件下结构的空间多点、多维振动动力响应模拟试验，并结合反力墙6进行水动力耦合条件下复杂边界条件的振动台子结构试验。
(2)结构抗波浪冲击试验：当造波池2蓄水，造波机群3单独工作时可产生规则波、随机波、海啸波以及其他用户自定义波形，实现水流作用下桥梁结构的动力响应模拟试验以及波浪冲击下海洋结构的动力响应模拟试验。
(3)结构风洞试验：当低速风洞7单独工作时，可以实现风荷载作用下桥梁结构以及电视塔、风力发电结构等高耸结构的动力响应模拟试验。
(4)波浪(流)-地震耦合作用下结构动力响应模拟试验：当造波池2蓄水，造波机群3产生规则波、随机波或海啸波，同时振动台台阵1进行地震模拟时，结构受到波浪(流)-地震耦合作用，可实现波浪(流)与地震耦合作用下桥梁以及海洋工程结构的动力响应模拟试验，如图5所示。
(5)风-波浪(流)耦合作用下结构动力响应模拟试验：当造波池2蓄水，造波机群3产生规则波、随机波或海啸波，同时低速风洞7模拟风荷载时，试验结构受到风-波浪(流)耦合作用，可实现风与波浪(流)耦合作用下海上风电、海上平台等海洋工程结构的动力响应模拟试验，如图6所示。
(6)风-地震耦合作用下结构动力响应模拟试验：当造波池2不蓄水，振动台台阵1模拟地震，同时低速风洞7模拟风荷载时，可实现风与地震耦合作用下桥梁结构以及电视塔、风力发电结构等高耸结构的动力响应模拟试验，如图7所示；
(7)风-波浪(流)-地震耦合作用下结构动力响应模拟试验：当造波池2蓄水，振动台台阵1进行地震模拟，造波机群3产生规则波、随机波或海啸波，同时低速风洞7模拟风荷载时，试验结构受到风-波浪(流)-地震耦合作用，可实现风、波浪(流)和地震耦合作用下海上风电等海洋工程结构动力响应的模拟试验，如图8所示。
由上可见，相较于现有的多灾耦合模拟试验平台，本发明的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的显著优势在于，可以模拟试验出风荷载、波浪(流)荷载以及地震荷载中任意两种工况或三种工况耦合作用下结构的动力响应。
所述风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台与数值仿真、子结构试验技术以及其他工程试验平台相结合，可实现复杂工况下非线性结构的动力响应模拟试验及相关研究，如风荷载作用下结构减振性能研究、风荷载作用下波浪(流)-土-结构相互作用动力响应研究，以及地震作用下风-波浪(流)-土-结构相互作用动力响应研究等，具有灵活性、可靠性和稳定性。
以上说明书及附图中如此叙述仅仅是为了清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式,并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员,在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，其特征在于：包括设置有进/泄水孔(4)以及振动台安装槽的造波池(2)，所述振动台安装槽中设置有台面与造波池底面齐平且密封连接的振动台台阵(1)，所述造波池沿长轴方向一侧设置有反力墙(6)，沿短轴方向一侧设置有造波机群(3)，在所述造波机群(3)的上方设置有低速风洞(7)的出风口，另一侧设置有油源间(5)。
2.根据权利要求1所述的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，其特征在于：振动台台阵(1)的台面与造波池(2)的池底等高，子振动台采用三向六自由度地震模拟振动台，振动台的数量、性能、规格以及排列方式结合所述风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台的规模大小按需选取。
3.根据权利要求1所述的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，其特征在于：造波池(2)内侧设置有造波机群(3)，造波机沿造波池(2)的短轴向池壁等间距布置，产生试验要求的波浪、水流。根据试验需求，在另一侧短轴侧池壁加装消波机，造波池(2)的池底设置进/泄水孔(4)。
4.根据权利要求1所述的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，其特征在于：反力墙(6)设置于造波池(2)一侧，由钢筋混凝土制成，均匀布置多个预留的水平安装孔，用于安装水平作动器。
5.根据权利要求1所述的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，其特征在于：低速风洞(7)包含收缩段、风扇、稳定段和扩压段，低速风洞(7)的出风口正对造波池(2)和振动台台阵(1)上方，在不影响造波池(2)中波浪模拟的情况下将出风口延伸到振动台台阵(1)上方，使得多灾耦合试验模拟时结构所受的风荷载更加均匀、稳定。
6.根据权利要求1所述的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，其特征在于：油源间(5)位于造波池一侧的地面以下，并与造波池下的振动台安装槽相通，油源间(5)内设置蓄能组和油泵站，通过输油管道与振动台台阵(1)连接，控制振动台台阵(1)产生试验所要求的位移、速度或加速度激励。
7.根据权利要求1所述的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，其特征在于：当振动台台阵(1)、造波机群(3)、以及低速风洞(7)自由组合协同工作时，各装置输入试验结构的激励需要按照相似理论，参考试验模型的缩尺比设计。
8.根据权利要求1所述的风-波浪-地震耦合作用下的工程结构混合模拟平台，其特征在于：通过振动台台阵(1)、造波池(2)、造波机群(3)、反力墙(6)以及低速风洞(7)的协同工作，能够实现下述模拟试验：
(1)工程结构抗震试验：当振动台台阵(1)模拟地震工况时，若造波池(2)不蓄水，可进行大跨度结构的空间多点、多维振动响应模拟试验，并可结合反力墙(6)进行复杂边界条件的振动台子结构试验；而若造波池(2)蓄水，可实现水动力耦合条件下结构的空间多点、多维振动动力响应模拟试验，并结合反力墙(6)进行水动力耦合条件下复杂边界条件的振动台子结构试验。
(2)结构抗波浪冲击试验：当造波池(2)蓄水，造波机群(3)单独工作时产生规则波、随机波、海啸波以及其他用户自定义波形，实现水流作用下桥梁结构的动力响应模拟试验以及波浪冲击下海洋结构的动力响应模拟试验。
(3)结构风洞试验：当低速风洞(7)单独工作时，可以实现风荷载作用下桥梁结构以及电视塔、风力发电结构的动力响应模拟试验。
(4)波浪-地震耦合作用下结构动力响应模拟试验：当造波池(2)蓄水，造波机群(3)产生规则波、随机波或海啸波，同时振动台台阵(1)进行地震模拟时，结构受到波浪-地震耦合作用，实现波浪与地震耦合作用下桥梁以及海洋工程结构的动力响应模拟试验。
(5)风-波浪耦合作用下结构动力响应模拟试验：当造波池(2)蓄水，造波机群(3)产生规则波、随机波或海啸波，同时低速风洞(7)模拟风荷载时，试验结构受到风-波浪耦合作用，实现风与波浪耦合作用下海上风电、海上平台海洋工程结构的动力响应模拟试验。
(6)风-地震耦合作用下结构动力响应模拟试验：当造波池(2)不蓄水，振动台台阵(1)模拟地震，同时低速风洞(7)模拟风荷载时，实现风与地震耦合作用下桥梁结构以及电视塔、风力发电结构的动力响应模拟试验；
(7)风-波浪-地震耦合作用下结构动力响应模拟试验：当造波池(2)蓄水，振动台台阵(1)进行地震模拟，造波机群(3)产生规则波、随机波或海啸波，同时低速风洞(7)模拟风荷载时，试验结构受到风-波浪-地震耦合作用，实现风、波浪和地震耦合作用下海上风电等海洋工程结构动力响应的模拟试验。
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