CN114636542B - 一种研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，所述装置包括实验水槽、设于实验水槽底部的斜坡模型、设于实验水槽上的导轨、设于实验水槽导轨上的连接结构、以及设于连接结构上的导管架平台模型；所述的导管架平台模型可沿导轨滑动，以实现在不移动斜坡模型的情况下，研究导管架模型与波浪破碎点相对位置对砰击荷载的影响。本发明装置只需改变底部斜坡模型的角度与长度，就能够研究不同破碎程度波浪对导管架平台的砰击作用；所述实验装置能够测量破碎波砰击压强沿导管架模型主腿、平台甲板及桁架支撑结构的分布规律，只需在预先留好的螺纹孔上安装压强传感器即可。

Description

一种研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实 验装置

技术领域

本发明涉及一种研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，尤其是研究波浪在不同坡度上的传播特性、导管架平台在不同位置处的受力、导管架平台主腿、支撑结构以及平台甲板上压强分布规律的实验装置。

背景技术

目前，最常用的海上风电基础型式为大直径单桩基础，而随着近海风能资源开发的逐渐饱和，海上风电逐步走向深水化，大直径单桩基础的造价随着水深的增大而增加，由此，适应能力更好的导管架基础备受关注。由于波浪破碎过程的复杂性，相应的理论研究较少，且较难应用到实际工程；而破碎波与结构物相互作用所需的计算量巨大，对于较为复杂的导管架平台结构，特别是对局部砰击压强的捕捉，数值模拟的准确性及精度仍需提高；相较于前两者，物理模型实验研究通常能够得到更为准确且真实性更高的结果，但目前对波浪砰击荷载的物理模型实验研究以单桩结构为主，获得作用与单桩的砰击荷载以及沿单桩表面的波浪砰击压强，对于研究破碎波浪对导管架平台的砰击作用及局部压强分布规律的物理模型实验装置仍较缺乏。

物理模型实验由于实验场地的限制，无法重现真实的环境条件，通常采用一定的模型缩尺在实验水槽中开展。在实验水槽中开展破碎波浪对导管架平台的砰击荷载时，由于波浪破碎过程的复杂性，波浪沿着不同的斜坡传播具有不同的破碎形态，为研究不同破碎类型的波浪的荷载带来了难度；同时由于导管架平台模型的复杂性，破碎波不仅对模型主腿，对斜撑、横撑以及平台甲板均可能产生剧烈的相互作用，与单桩实验相比难度更高；而破碎波浪可产生骤增的砰击荷载，对导管架平台模型的固定以及整体的刚度提出了考验；对于破碎波所产生的荷载，导管架平台模型位于不同位置时往往差异较大。基于以上的考虑，需要有一套实验装置可以考虑坡度和导管架平台模型的相对位置的影响，用于研究破碎波砰击荷载以及导管架平台模型局部砰击压强分布规律。

发明内容

针对传统研究波浪砰击荷载的研究存在的由于导管架平台所受砰击荷载骤增导致无法准确测量、导管架平台主腿、斜撑、横撑以及平台甲板局部压强无法捕捉、缺少关于模型坡度对波浪破碎状态影响等相关问题，本发明设计了一种新型的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置。本装置不仅可以测量作用在导管架平台上的破碎波浪砰击荷载，还可以测量作用于主腿、斜撑、横撑以及平台甲板上的局部砰击压强，同时可以考虑波浪沿着不同坡度传播进而破碎的影响，有利于模拟海上导管架平台结构物在面临不同海况条件下所受的极端砰击荷载及局部压强分布规律。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，包括实验水槽、设于实验水槽底部的斜坡模型、设于实验水槽上的导轨、设于导轨上的连接结构、以及设于连接结构上的导管架平台模型；所述的连接结构可沿导轨滑动，以实现在不移动底部斜坡模型的情况下，改变导管架平台模型与波浪破碎点间的相对位置，从而研究导管架模型与波浪破碎点相对位置对砰击荷载的影响；

所述的导管架平台模型包括主腿、斜撑、横撑以及平台甲板，所述横撑和斜撑设于相邻两个主腿之间，用于连接相邻两个主腿；所述平台甲板垂直于主腿设置；导管架平台模型通过设于平台甲板上部以及背浪侧主腿后方的三分力传感器分别与连接结构和斜坡模型连接固定，用于测量导管架平台结构所受的波浪砰击荷载；所述的主腿、斜撑、横撑以及平台甲板预设有螺纹孔，可用于安装压强传感器，用于测量破碎波浪对导管架平台的局部砰击压强。

上述技术方案中，进一步地，所述的连接结构通过滑块与水槽上方导轨连接，可以沿着实验水槽滑动，可在研究所需位置处停靠，利用木工夹进行固定。

进一步地，所述的导管架平台模型的主腿、斜撑、横撑之间通过外螺纹构件与伸缩连接构件连接，主腿与平台甲板通过螺丝连接。

进一步地，所述的斜坡模型包括不锈钢板、铝合金型材以及固定底板，所述不锈钢板通过铝合金型材与固定底板固定连接，不锈钢板通过T形螺栓与螺母固定在铝合金型材上，所述铝合金型材通过型材角件与固定底板固定连接。

更进一步地，所述的斜坡模型利用波浪的浅水化效应，通过改变波浪传播方向的沿程水深，形成波浪破碎现象。可通过改变斜坡模型的迎浪侧铝合金型材及不锈钢板长度，研究波浪在不同斜坡上传播破碎波浪的砰击作用。

进一步地，所述的导管架平台模型通过上方及背浪侧主腿后方共四个三分力传感器连接，其中位于上方的两个三分力传感器通过连接结构连接固定，位于背浪侧主腿后方的两个三分力传感器通过型材与固定底板连接固定，四个传感器共同抵抗破碎波砰击荷载，减小结构振动对实验的影响。

进一步地，所述的连接结构由桁架支撑结构、H型钢以及I型钢组成，所述的桁架支撑结构是由若干铝合金型材通过型材角件、T型螺丝、螺母相互连接得到；所述I型钢与H型钢通过长螺杆、T型螺母与上部桁架支撑结构连接固定；所述的H型钢与I型钢为连接结构提供刚度，用于抵抗波浪砰击的骤增荷载，避免导管架平台产生过大的振动。

进一步地，所述的主腿、斜撑以及横撑由多部分拼接而成，便于在预设的螺纹孔安装带有连线的压强传感器，各构件在背浪侧留有开孔，用于疏导压强传感器的连线。

更进一步地，所述的螺纹孔可根据需要安装压强传感器，对于无需安装压强传感器的位置安装内六角螺丝，以保证导管架平台表面完整，从而避免孔洞对流场的影响。

进一步地，所述实验水槽是透明的，在所述的实验水槽一侧设有两台高速摄像机，用于捕捉破碎波对导管架平台砰击作用时的复杂三维流场。

本发明的有益之处在于：

本发明可以在实验水槽的模拟条件下，实现波浪沿着斜坡传播产生破碎并进一步砰击导管架结构的研究。本发明设计的上部连接结构采用H型钢与I型钢，为整体结构提供了足够的刚度，壁面结构振动对结果的影响；进一步通过上部连接结构位置的移动，实现测量不同位置处的导管架平台模型所受砰击荷载；同时导管架平台模型由多部分组合而成，在主腿、斜撑、横撑以及平台甲板上预设有螺纹孔，便于测量局部砰击压强，能够研究破碎波砰击压强沿导管架模型主腿、平台甲板及桁架支撑结构的分布规律。本发明装置只需改变底部斜坡模型的角度与长度，就能够研究不同破碎程度波浪对导管架平台的砰击作用。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进行进一步说明

图1是本发明的导管架迎浪侧主腿与平台甲板连接示意图；

图2是本发明的导管架平台板与连接结构组合示意图；

图3是本发明的导管架背浪侧主腿固定示意图；

图4是本发明的导管架主腿与桁架结构构造示意图；

图5是本发明的底部斜坡模型构造示意图；

图6是本发明的上部连接结构构造示意图；

图7是本发明整套装置的示意图；

其中，1.主腿构件A、2.主腿构件B、3.主腿构件C、4.M10×1螺纹孔、5.凸槽、6.凹槽、7.桁架连接预留孔、8.平台甲板、9.M10螺纹孔、10.Φ12开孔、11.矩形开孔、12.M10螺丝、13.M4螺丝、14.测力传感器、15.螺母、16.T型螺丝、17.U型槽、18.铝合金型材、19.主腿构件D、20.K型连接件、21.导管架桁架杆、22.外螺纹构件、23.伸缩连接构件、24.X型连接件、25.内六角螺丝、26.不锈钢板、27.型材角件、28.固定底板、29.预留开孔、30.滑块、31.导轨、32.木工夹、33.H型钢、34.I型钢、35.长螺杆、36.T型螺母、37.实验水槽、38.桁架支撑结构、39.高速摄像机、40.导管架平台模型。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

一种研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，包括实验水槽37、设于实验水槽37底部的斜坡模型、设于实验水槽上的导轨31、设于实验水槽导轨31上的连接结构、以及设于连接结构上的导管架平台模型40；所述的导管架平台模型40可通过导轨31上的滑块30滑动，以实现在不移动斜坡模型的情况下，改变导管架平台模型40与波浪破碎点的相对位置。

如图7是本发明整套装置的示意图。导管架平台模型40的平台甲板8上方以及背浪侧主腿后侧设有测力传感器14；背浪侧主腿后侧的测力传感器14通过U型槽17与铝合金型材18连接，铝合金型材18通过型材角件27与固定底板28连接固定；铝合金型材18组成底部斜坡框架，在上方铺设不锈钢板26组成底部斜坡模型；上方测力传感器14与I型钢34连接，I型钢34与H型钢33通过长螺杆35与上部桁架支撑结构38连接固定；桁架支撑结构38与滑块30连接，通过木工夹32固定于水槽导轨31。

如图1是本发明的导管架迎浪侧主腿与平台甲板连接示意图。在图1中，主腿构件A1、主腿构件B2与主腿构件C3通过凸槽5与凹槽6连接形成主腿；主腿构件A1上预留有M10×1螺纹孔4，可安装压强传感器；主腿构件B2与主腿构件C3上设有桁架连接预留孔7，桁架连接预留孔7用于连接导管架的横撑与斜撑；主腿与平台甲板8通过M10螺纹孔9、Φ12开孔10与M10螺丝12连接固定；平台甲板8上预留有矩形开孔11，用于疏导压强传感器连接线。

如图2是本发明的导管架平台板与连接结构组合示意图。在图2中，平台甲板8通过M4螺丝13与测力传感器14连接；平台甲板8上预留有M10×1螺纹孔4，可安装压强传感器。

如图3是本发明的导管架背浪侧主腿固定示意图。背浪侧主腿的主腿构件D19通过M4螺丝13与测力传感器14连接；测力传感器14通过M4螺丝13与U型槽17连接；U型槽17通过T型螺丝16和螺母15与铝合金型材18连接固定。

如图4是本发明的导管架主腿与桁架结构构造示意图。主腿构件A1、主腿构件B2与主腿构件C3组成主腿，主腿上预留有M10×1螺纹孔4，在不需要安装压强传感器部位可安装内六角螺丝25；外螺纹杆构件22与桁架连接预留孔7连接固定，导管架桁架杆21通过K型连接件20与X型连接件24连接，最后外螺纹杆构件22与导管架桁架杆21通过伸缩连接构件23连接。

如图5是本发明的底部斜坡模型构造示意图。铝合金型材18通过T型螺丝16、螺母15以及型材角件27连接形成底部斜坡框架，铝合金型材18通过型材角件27与固定底板28连接固定，在底部斜坡框架上铺设不锈钢板26形成底部斜坡模型。不锈钢板26通过铝合金型材18与固定底板28固定连接，其中一根铝合金型材18顶部透过不锈钢板26上的预留开孔29，通过U型槽17与背浪侧主腿后方的测力传感器14连接。

如图6是本发明的上部连接结构构造示意图。测力传感器14通过M4螺丝与I型钢34连接固定；I型钢34与H型钢33通过长螺杆35、T型螺母36与上部桁架支撑结构38连接固定；若干铝合金型材18通过型材角件27、T型螺丝、螺母15连接组成桁架支撑结构38；桁架支撑结构38与滑块30连接，通过木工夹32固定于水槽上方。

采用上述装置研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的试验过程为：

首先在实验水槽37中进行空水槽滤波，使用造波机在实验水槽37中造出特定的波浪。随后在试验段的实验水槽37底部加入斜坡模型，再次运用造波机进行造波，波浪在斜坡模型上传播时由于浅水效应，会产生破碎现象。实验水槽37两侧为透明玻璃板，通过架设在实验水槽37侧面的高速摄像机39捕捉波浪破碎点的位置。进而将导管架平台模型40加入实验水槽37中，通过改变导管架平台模型40与波浪破碎点的位置，测量整体荷载及局部压强，可以研究相对位置对破碎波浪于导管架平台造成的砰击荷载的及压强分布的变化规律；进一步，在得到特定条件下最大砰击荷载产生时的相对位置时，通过改变入射波条件，研究砰击荷载及压强分布随入射波条件的变化规律。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：包括实验水槽、设于实验水槽底部的斜坡模型、设于实验水槽上的导轨、设于导轨上的连接结构、以及设于连接结构上的导管架平台模型；所述的连接结构可沿导轨滑动，以实现在不移动底部斜坡模型的情况下，改变导管架平台模型与波浪破碎点间的相对位置；

所述的导管架平台模型包括主腿、斜撑、横撑以及平台甲板，所述横撑和斜撑设于相邻两个主腿之间，用于连接相邻两个主腿；所述平台甲板垂直于主腿设置；导管架平台模型通过设于平台甲板上部以及背浪侧主腿后方的三分力传感器分别与连接结构和斜坡模型连接固定，用于测量导管架平台结构所受的波浪砰击荷载；所述的主腿、斜撑、横撑以及平台甲板预设有螺纹孔，所述螺纹孔内可用于安装压强传感器，用于测量破碎波浪对导管架平台的局部砰击压强。

2.根据权利要求1所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述的连接结构通过滑块与实验水槽上的导轨连接，可以沿着水槽滑动；所述连接结构与滑块连接，并通过木工夹固定。

3.根据权利要求1所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述的导管架平台模型的主腿、斜撑、横撑之间通过外螺纹构件与伸缩连接构件连接，主腿与平台甲板通过螺丝连接。

4.根据权利要求1所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述的斜坡模型包括不锈钢板、铝合金型材以及固定底板，所述不锈钢板通过铝合金型材与固定底板固定连接，不锈钢板通过T形螺栓与螺母固定在铝合金型材上，所述铝合金型材通过型材角件与固定底板固定连接。

5.根据权利要求4所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述的导管架平台模型通过上方及背浪侧主腿后方共四个三分力传感器连接，其中位于上方的两个三分力传感器通过连接结构连接固定，位于背浪侧主腿后方的两个三分力传感器通过铝合金型材与固定底板连接固定，四个传感器共同抵抗破碎波砰击荷载，减小结构振动对实验的影响。

6.根据权利要求4所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述的斜坡模型利用波浪的浅水化效应，通过改变波浪传播方向的沿程水深，形成波浪破碎现象；通过改变斜坡模型的迎浪侧铝合金型材及不锈钢板长度，研究波浪在不同斜坡上传播破碎波浪的砰击作用。

7.根据权利要求1所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述的连接结构由桁架支撑结构、H型钢以及I型钢组成，所述的桁架支撑结构是由若干铝合金型材通过型材角件、T型螺丝、螺母相互连接得到；所述I型钢与H型钢通过长螺杆、T型螺母与上部桁架支撑结构连接固定；所述的H型钢与I型钢为连接结构提供刚度，用于抵抗波浪砰击的骤增荷载，避免导管架平台产生过大的振动。

8.根据权利要求1所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述的主腿、斜撑以及横撑由多部分拼接而成，便于在预设的螺纹孔安装压强传感器，各构件在背浪侧留有开孔，用于疏导压强传感器的连线。

9.根据权利要求8所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述的螺纹孔可根据需要安装压强传感器，对于无需安装压强传感器的位置安装内六角螺丝，以保证导管架平台表面完整，从而避免孔洞对流场的影响。

10.根据权利要求1所述的研究破碎波浪对导管架平台的砰击荷载及压强分布的实验装置，其特征在于：所述实验水槽是透明的，在实验水槽一侧设有两台高速摄像机，用于捕捉破碎波浪对导管架平台砰击作用时的复杂三维流场。

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