CN114737622A - 对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置和方法，包括测力传感器，激光位移传感器、水平载荷传递连接板、桩顶连接组件和竖向载荷重物；测力传感器一端需固定于施力装置上，另一端和水平载荷传递连接板连接，所述桩顶连接组件包括竖向连接杆、竖向连接杆下端的金属球和低摩连接筒，所述低摩连接管能同心地连接在桩顶，所述金属球的直径与低摩连接筒的内径匹配，使得所述金属球刚好能插入所述低摩连接筒内，所述竖向连接杆的上端和水平载荷传递连接板连接。本发明竖向荷载和水平循环荷载可以同时施加，竖向荷载和水平循环荷载的施加过程互不影响；桩结构顶端无约束作用，可自由转动。
Description
技术领域
本发明涉及土建、风电、海洋平台、离心机试验等技术领域。尤其涉及一种用于对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置和方法。
背景技术
随着人类对清洁能源需求的日益增长，风力发电因安装便捷、维护成本低和工作寿命长，日益得到世界各国的青睐。风力发电机按照其所安装的区域，可分为陆基型和海基型两类。由于具有不占用陆地面积、不遮挡视线、低噪声污染、易于操作安装等优点，海上风力发电机在近些年变得流行开来。风力发电机按照所处水深，出于经济性和适用性考量，拥有着不同的基础形式(见图1)，具体可分为：重力式基础风力发电机(水深0到10米)，单桩基础风力发电机(水深10到35米)，桁架基础风力发电机(水深35到60米)，漂浮式基础风力发电机(水深60米以上)。风力发电机的基础，在风力发电机总造价中占比在30％左右。为了让风力发电相比于火力发电、太阳能发电、潮汐发电等发电方式拥有更大优势，降低风力发电机的发电成本显得尤为关键。降低风力发电机基础结构的造价，成为关键的一环。
大型建筑物或构筑物的基础结构的设计，一般要先通过现场测量或者实验室试验来收集和评价所需参数。风力发电机由于上部结构巨大，其基础需要承受的荷载主要有风、海浪等所产生的具有周期循环特征的水平力(H)，风力发电机叶片、齿轮箱以及支撑杆件的重量所产生的竖向力(V)以及这些力所产生的弯矩(M)。如何正确的模拟某一方向的力的作用，或不同方向的力在复杂组合下的相互作用，是重点，也是难点。在实际工程中，风力发电机基础结构的顶端是能够自由转动的，但是荷载实验中，难以在桩结构上施加平面循环荷载和竖向荷载的同时，保持桩结构顶端自由转动。
现在还没有一套实验装置能够很好地在对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载的同时还能保持桩结构顶端自由转动。
发明内容
本发明所要解决的目的是针对现有技术的不足，提供能够在对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载的同时还能保持桩顶自由转动的装置。
为解决现存技术问题，本发明采用如下技术方案：
对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置，其特征在于包括测力传感器、激光位移传感器、水平载荷传递连接板、桩顶连接组件和竖向载荷重物。
所述的测力传感器，其一端需固定于施力装置上，另一端和水平载荷传递连接板连接，所述桩顶连接组件包括竖向连接杆、竖向连接杆下端的金属球和低摩连接筒，所述低摩连接管能同心地连接在桩顶，所述金属球的直径与低摩连接筒的内径匹配，使得所述金属球刚好能插入所述低摩连接筒内，所述竖向连接杆的上端和水平载荷传递连接板连接；
所述竖向载荷重物设置有连接结构而能够连接在桩身上。
进一步地，所述水平载荷传递连接板采用L形连接板；所述的L型连接板，其拥有正交的两个壁面，其中一个壁面上有开有螺孔，用螺杆与测力传感器固定，其中的另外一个壁面上亦开有螺孔，能够通过螺纹连接结构与所述竖向连接杆固定。
进一步地，所述竖向连接杆的上部设置有外螺纹，下部和金属球焊接。
进一步地，所述的低摩连接筒由特氟龙材料加工而成；其外壁与桩的内壁固定成一个整体；其内壁为圆形，直径等同于金属球的外径，光滑的特氟龙材料可有效减小与金属球的摩擦，并通过特氟龙筒壁的厚度来填充桩身与金属球之间空隙；桩顶移动时，在金属球和特氟龙内筒壁的导向作用下，桩身可沿金属球滑动。
进一步地，所述的竖向载荷重物，其材料为金属或其它材料制成，其外形可为任意形状，但其必须能够被固定于桩身，以对桩身产生竖向荷载的作用。
本发明的另一个目的是提供一种上述装置的桩结构同时施加平面循环荷载和竖向荷载试验方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)低摩连接筒的外径由桩的内径尺寸与金属球的外径尺寸决定，并将低摩连接筒固定在桩内壁、靠近桩顶端的位置；
(2)根据实际需要，将对应重量的竖向载荷重物固定在桩身上，竖向载荷重物用于对桩施加竖向荷载；
(3)将测力传感器、水平载荷传递连接板、竖向连接杆连接；下降竖向连接杆的高度，直至金属球的中心水平面与低摩连接筒的中部水平面重合；
(4)将激光位移传感器固定在测量高度，并调节至工作状态；
(5)启动水平施力装置，开始实验。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、竖向荷载和水平循环荷载可以同时施加，竖向荷载和水平循环荷载的施加过程互不影响；
2、桩结构顶端无约束作用，因而可自由转动。
附图说明
图1是各种常见的海基型风力发电机基础结构形式的示意图，本发明所说的风力发电机的“基础结构”，指的是对风力发电机海面以上主体结构起到支撑作用的下部结构，也即图中黑色所示的部分；Gravity base:重力式基础；Monopile:单桩基础；Jacketstructure:桁架结构；Floating platform:漂浮平台。
图2是本发明装置的结构示意图。
图3是竖向连接杆件和金属球为一体的结构示意图。
图4是竖向荷载与桩身连接示例连接方法示意图。
图5为图4的A-A剖示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明，
如图2所示，本发明用于对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置，包括测力传感器1，激光位移传感器2、水平载荷传递连接板3、桩顶连接组件和竖向载荷重物4。
所述的测力传感器1，其一端需固定于施力装置(附图标号100为施力装置的连接臂)上，另一端和水平载荷传递连接板3连接，所述桩顶连接组件包括竖向连接杆件5、竖向连接杆件下端的金属球6和低摩连接筒7，所述低摩连接管7能同心地连接在桩顶，所述桩200为钢管桩，所述金属球6的直径与低摩连接筒7的内径匹配，使得所述金属球6刚好能插入所述低摩连接筒7内，所述竖向连接杆5的上端和水平载荷传递连接板3连接。
所述的竖向载荷重物4，其材料为金属或其它材料制成，其外形可为任意形状，但其必须能够被固定于桩身，以对桩身产生竖向荷载的作用。所述竖向载荷重物4可采用夹固的方式固定与桩身的任意高度位置，其可由一组或多组构成，每组有两个半体41、42组成，通过螺栓组件40将两个半体41、42夹固在桩身上。
所述的激光位移传感器2用于测量桩身某高度处的水平位移。
所述水平载荷传递连接板3可采用L形连接板；所述的L型连接板，其拥有正交的两个壁面，其中一个壁面31上有开有螺孔，用螺杆与测力传感器1固定，其中的另外一个壁面32上亦开有螺孔，能够通过螺纹连接结构与所述竖向连接杆5固定；
所述竖向连接杆5的上部设置有外螺纹，下部和金属球6焊接。
所述的低摩连接筒7由特氟龙材料加工而成；其外壁与桩的内壁固定成一个整体；其内壁为圆形，直径等同于金属球6的外径，光滑的特氟龙材料可有效减小与金属球的摩擦，并通过特氟龙筒壁的厚度来填充桩身与金属球6之间空隙；桩顶移动时，在金属球6和特氟龙内筒壁的导向作用下，桩身可沿金属球滑动。
实验步骤如下
(1)低摩连接筒7的外径由桩200的内径尺寸与金属球6的外径尺寸决定，低摩连接筒7采用特氟龙材料加工，既保证摩擦力小，又能够更具需要方便地制成任一壁厚，制备好后，将低摩连接筒7固定在桩内壁、靠近桩顶端的位置；
(2)根据实际需要，将对应重量的竖向载荷重物6固定在桩身上，竖向载荷重物用于对桩施加竖向荷载；
(3)将测力传感器1、水平载荷传递连接板3、竖向连接杆5连接；下降竖向连接杆5的高度，直至金属球6的中心水平面与低摩连接筒7的中部(也即高度方向上的中线)水平面重合；
(4)将激光位移传感器2固定在测量高度，并调节至工作状态；
(5)启动水平施力装置，开始实验。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置，其特征在于包括测力传感器，激光位移传感器、水平载荷传递连接板、桩顶连接组件和竖向载荷重物；
所述的测力传感器，其一端需固定于施力装置上，另一端和水平载荷传递连接板连接，所述桩顶连接组件包括竖向连接杆、竖向连接杆下端的金属球和低摩连接筒，所述低摩连接管能同心地连接在桩顶，所述金属球的直径与低摩连接筒的内径匹配，使得所述金属球刚好能插入所述低摩连接筒内，所述竖向连接杆的上端和水平载荷传递连接板连接；
所述竖向载荷重物设置有连接结构而能够连接在桩身上。
2.如权利要求1所述的对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置，其特征在于所述水平载荷传递连接板采用L形连接板；所述的L型连接板，其拥有正交的两个壁面，其中一个壁面上有开有螺孔，用螺杆与测力传感器固定，其中的另外一个壁面上亦开有螺孔，能够通过螺纹连接结构与所述竖向连接杆固定。
3.如权利要求1所述的对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置，其特征在于所述竖向连接杆的上部设置有外螺纹，下部和金属球焊接。
4.如权利要求1所述的对桩结构施加平面循环荷载和竖向荷载且保持桩顶自由转动的装置，其特征在于所述的低摩连接筒由特氟龙材料加工而成；其外壁与桩的内壁固定成一个整体；其内壁为圆形，直径等同于金属球的外径，光滑的特氟龙材料可有效减小与金属球的摩擦，并通过特氟龙筒壁的厚度来填充桩身与金属球之间空隙；桩顶移动时，在金属球和特氟龙内筒壁的导向作用下，桩身可沿金属球滑动。
5.根据权利要求1所述装置的桩结构同时施加平面循环荷载和竖向荷载试验方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)低摩连接筒的外径由桩的内径尺寸与金属球的外径尺寸决定，并将低摩连接筒固定在桩内壁、靠近桩顶端的位置；
(2)根据实际需要，将对应重量的竖向载荷重物固定在桩身上，竖向载荷重物用于对桩施加竖向荷载；
(3)将测力传感器、水平载荷传递连接板、竖向连接杆连接；下降竖向连接杆件的高度，直至金属球的中心水平面与低摩连接筒的中部水平面重合；
(4)将激光位移传感器固定在测量高度，并调节至工作状态；
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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