CN202814521U - 一种测量沉管管节附连水质量的装置 - Google Patents

一种测量沉管管节附连水质量的装置 Download PDF

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李晓彬
李营
魏星
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Abstract

本实用新型主要涉及一种测量沉管管节附连水质量的装置，包括有：设置于水池上方的支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁；置于水中的平板与纵梁固定连接，以形成虚拟的池底；还包括有与沉管相连的弹簧,还包括有与沉管相连的加速度传感器,使其与沉管紧密连接以实现同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连。本实用新型的有益效果在于：本实用新型利用简单的弹簧质量系统原理，借助较为简单的试验装置可以试验，可以得出较为准确的沉管管节附连水质量，不仅节约了试验成本，而且使试验周期大大缩短，提高了经济性。

Description

一种测量沉管管节附连水质量的装置
技术领域
本实用新型主要涉及一种测量沉管管节附连水质量的装置，能准确测量管节附连水质量，为预测管节运动响应打下基础。
背景技术
沉管管节附连水以改变沉管管节等效质量的方式，对沉管管节在水中的运动产生巨大影响，因此，对于预测沉管管节的纵向运动、横向运动和升沉运动有着重要意义。
跨海/河大桥建设中，多采用沉管管节组成水底隧道的方式。沉管管节一般在陆地上建造，完成后由拖轮托运到制定海域。在托运过程中，由于周围水的影响，使得沉管在平动的过程中犹如增加了部分质量，影响了沉管的运动。如何准确有效的计算出这部分水的质量，对于预测沉管运动响应，准确选择恰当的托运方式显得尤为重要。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种测量沉管管节附连水质量的装置，该装置能测量出横荡、纵荡和升沉三个平动自由度的附连水质量，从而能更加准确地预测沉管在水中的运动形式，确定使用何种拖轮。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种测量沉管管节附连水质量的装置，其特征在于包括有：设置于水池上方的支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁；置于水中的平板与纵梁固定连接，以形成虚拟的池底；还包括有与沉管相连的弹簧,还包括有与沉管相连的加速度传感器,使其与沉管紧密连接以实现同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连。
按上述方案，所述的弹簧将沉管的纵向两侧与水池的池壁相连，当沉管纵向运动时，沉管横向两侧的弹簧等效刚度相同；或者用弹簧将横向两侧与水池的池壁相连，当沉管横向运动时，沉管纵向两侧的弹簧等效刚度相同；或者用弹簧将沉管上下两侧分别与水池的池底和支撑横梁相连，当沉管升沉运动时，沉管上下两侧对角方向的弹簧等效刚度相同。
一种测量沉管管节附连水质量的方法，包括有以下步骤：
1）向水池中注水，水深为沉管高度1.5倍以上，在水池上方设置有支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁；
2）将平板与纵梁固定连接，平板置于水中，形成虚拟的池底；
3）将沉管放入虚拟的池底的上方的池水中，再用弹簧将沉管的纵向两侧与水池的池壁相连，当沉管纵向运动时，沉管横向两侧的弹簧等效刚度相同；或者用弹簧将横向两侧与水池的池壁相连，当沉管横向运动时，沉管纵向两侧的弹簧等效刚度相同；或者用弹簧将沉管上下两侧分别与水池的池底和支撑横梁相连，当沉管升沉运动时，沉管上下两侧对角方向的弹簧等效刚度相同；
4）将加速度传感器与沉管紧密连接使之同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连；
5）在纵向、横向或升沉方向，给沉管一个初始位移，通过动态测试系统对加速度传感器的加速度信号示波，读取沉管的管节的运动周期值，通过公式                                                
Figure 849315DEST_PATH_IMAGE001
，求出沉管在水中的等效质量
Figure 749400DEST_PATH_IMAGE002
，k为弹簧的等效刚度系数，T为沉管的管节的运动周期值；
6）在空气中直接称量沉管，得到其在空气中的质量
Figure 396282DEST_PATH_IMAGE003
；
7）通过公式，得到沉管在水中纵向、横向或升沉三个方向的运动时的附连水质量；
8）调节连接假底的长螺杆，以更换假底上方水深，重复步骤5）和步骤7），得到不同水深时的沉管在水中纵向、横向或升沉三个方向运动时的附连水质量。
本实用新型的基本原理是：
试验是模拟弹簧单自由度无阻尼振动情况，由无阻尼自由振动的振动微分方程：
     
Figure 393419DEST_PATH_IMAGE005
若引入
Figure 544914DEST_PATH_IMAGE006
，则上式方程可写为：
     
Figure 496952DEST_PATH_IMAGE007
上式是单自由度系统无阻尼自由振动的标准微分方程，它是二阶齐次线性微分方程，其通解为：
     
Figure 519135DEST_PATH_IMAGE008
系统的周期为
Figure 764171DEST_PATH_IMAGE009
，则
Figure 701165DEST_PATH_IMAGE001
，附加质量为
Figure 689850DEST_PATH_IMAGE004
Figure 333583DEST_PATH_IMAGE003
为沉管管节在空气中的质量，可以直接称重获得；
Figure 15100DEST_PATH_IMAGE002
为沉管管节在水中的等效质量，可以由
Figure 78871DEST_PATH_IMAGE001
求得。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型利用简单的弹簧质量系统原理，借助较为简单的试验装置可以试验，可以得出较为准确的沉管管节附连水质量，不仅节约了试验成本，而且使试验周期大大缩短，提高了经济性。
附图说明
图1是测量沉管管节附连水质量的流程图；
图2是假底装置的俯视图；
图3是假底及沉管装置平视图；
图4是沉管管节纵荡附连水测量装置俯视图；
图5是沉管管节横荡附连水测量装置俯视图；
图6是沉管管节升沉附连水测量装置平视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型各技术方案做进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本实用新型的限制。
实施例1
一种测量沉管管节附连水质量的装置，包括有：设置于水池上方的支撑横梁2，支撑横梁上设置有纵梁3；置于水中的平板4与纵梁固定连接，以形成虚拟的池底；还包括有与沉管6相连的弹簧5，还包括有与沉管相连的加速度传感器，使其与沉管紧密连接以实现同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连，所述的弹簧将沉管的纵向两侧与水池的池壁相连，当沉管纵向运动时，沉管横向两侧的弹簧等效刚度相同。
纵荡附连水实施方式
1）向水池1中注水，水深为沉管高度1.5倍以上，在水池上方设置有支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁，可以采用的沉管厚度和水深如表1所示，本实施例中采用沉管厚度14.25mm、水深采用56.25m。
表1  沉管厚度和水深示例
沉管厚度（mm） 水深（mm）
14.25 56.25
20 60
30 90
2）将平板与纵梁固定连接，平板置于水中，形成虚拟的池底；
3）将沉管放入虚拟的池底的上方的池水中，再用弹簧将沉管的纵向两侧与水池的池壁相连，沉管横向两侧的弹簧等效刚度相同。示例中弹簧由四组弹簧并联构成，其中两组弹簧由三个弹簧串联而成，另外两组弹簧由六个弹簧串联而成，则
Figure 638291DEST_PATH_IMAGE010
。
4）将加速度传感器与沉管紧密连接使之同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，即为纵向，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连；
5）在纵向方向，给沉管一个初始位移为150mm，通过动态测试系统对加速度传感器的加速度信号示波，读取沉管的管节的运动周期值，通过公式，求出沉管在水中的等效质量
Figure 487484DEST_PATH_IMAGE002
，k为弹簧的等效刚度系数，T为沉管的管节的运动周期值，示例中T为3.55s，
Figure 805595DEST_PATH_IMAGE002
=172.12kg。
6）在空气中直接称量沉管，得到其在空气中的质量，示例中沉管质量为140.625kg。
7）通过公式
Figure 925047DEST_PATH_IMAGE004
，得到沉管在水中纵向运动时的附连水质量为31.495kg；
8）调节连接假底的长螺杆，以更换假底上方水深分别为37.5mm、25mm，重复步骤5）和步骤7），得到不同水深时的沉管在水中纵向运动时的附连水质量。
实施例2
一种测量沉管管节附连水质量的装置，包括有：设置于水池上方的支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁；置于水中的平板与纵梁固定连接，以形成虚拟的池底；还包括有与沉管相连的弹簧,还包括有与沉管相连的加速度传感器,使其与沉管紧密连接以实现同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连，用弹簧将横向两侧与水池的池壁相连，当沉管横向运动时，沉管纵向两侧的弹簧等效刚度相同。
横荡附连水实施方式
1）向水池中注水，水深为沉管高度1.5倍以上，在水池上方设置有支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁。可以采用的沉管厚度和水深如表1所示，本例中采用沉管厚度14.25mm、水深采用56.25m。
表 1 沉管厚度和水深示例
沉管厚度（mm） 水深（mm）
14.25 56.25
20 60
30 90
2）将平板与纵梁固定连接，平板置于水中，形成虚拟的池底。
3）将沉管放入虚拟的池底的上方的池水中，再用弹簧将沉管的横向两侧与水池的池壁相连，沉管纵向两侧的弹簧等效刚度相同。示例中弹簧由四组弹簧并联构成，每组弹簧由三个弹簧串联而成，则。
4）将加速度传感器与沉管紧密连接使之同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，即为横向，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连；
5）在横向方向，给沉管一个初始位移150mm，通过动态测试系统对加速度传感器的加速度信号示波，读取沉管的管节的运动周期值，通过公式
Figure 488195DEST_PATH_IMAGE001
，求出沉管在水中的等效质量
Figure 91214DEST_PATH_IMAGE002
，k为弹簧的等效刚度系数，T为沉管的管节的运动周期值。示例中T为4s，
Figure 593740DEST_PATH_IMAGE012
=180.68kg。
6）在空气中直接称量沉管，得到其在空气中的质量
Figure 227109DEST_PATH_IMAGE003
，示例中沉管质量为140.625kg。
7）通过公式
Figure 815085DEST_PATH_IMAGE004
，得到沉管在水中纵向运动时的附连水质量为40.055kg；
8）调节连接假底的长螺杆，以更换假底上方水深分别为37.5mm、25mm，重复步骤5）和步骤7），得到不同水深时的沉管在水中横向向运动时的附连水质量。
实施例3
一种测量沉管管节附连水质量的装置，包括有：设置于水池上方的支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁；置于水中的平板与纵梁固定连接，以形成虚拟的池底；还包括有与沉管相连的弹簧,还包括有与沉管相连的加速度传感器,使其与沉管紧密连接以实现同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连，用弹簧将沉管上下两侧分别与水池的池底和支撑横梁相连，当沉管升沉运动时，沉管上下两侧对角方向的弹簧等效刚度相同。
升沉附连水实施方式
1）向水池中注水，水深为沉管高度1.5倍以上，在水池上方设置有支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁。可以采用的沉管厚度和水深如表1所示，本例中采用沉管厚度14.25mm、水深采用56.25m。
表1沉管厚度和水深示例
沉管厚度（mm） 水深（mm）
14.25 56.25
20 60
30 90
2）将平板与纵梁固定连接，平板置于水中，形成虚拟的池底。
3）将沉管放入虚拟的池底的上方的池水中，用弹簧将沉管上下两侧分别与水池的池底和支撑横梁相连，当沉管升沉运动时，沉管上下两侧对角方向的弹簧等效刚度相同。示例中弹簧由8组弹簧并联构成，每组弹簧由三个弹簧串联而成，则。
4）将加速度传感器与沉管紧密连接使之同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，即为横向，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连；
5）在升沉方向，给沉管一个初始位移，约为150mm。通过动态测试系统对加速度传感器的加速度信号示波，读取沉管的管节的运动周期值，通过公式
Figure 764115DEST_PATH_IMAGE001
，求出沉管在水中的等效质量
Figure 332499DEST_PATH_IMAGE002
，k为弹簧的等效刚度系数，T为沉管的管节的运动周期值。示例中T为14.54s，
Figure 407772DEST_PATH_IMAGE002
=273.5kg。
6）在空气中直接称量沉管，得到其在空气中的质量
Figure 87015DEST_PATH_IMAGE003
，示例中沉管质量为140.625kg。
7）通过公式
Figure 3280DEST_PATH_IMAGE004
，得到沉管在水中纵向运动时的附连水质量为132.875kg；
8）调节连接假底的长螺杆，以更换假底上方水深分别为37.5mm、25mm，重复步骤5）和步骤7），得到不同水深时的沉管在水中横向向运动时的附连水质量。

Claims (2)

1.一种测量沉管管节附连水质量的装置，其特征在于包括有：设置于水池上方的支撑横梁，支撑横梁上设置有纵梁；置于水中的平板与纵梁固定连接，以形成虚拟的池底；还包括有与沉管相连的弹簧,还包括有与沉管相连的加速度传感器,使其与沉管紧密连接以实现同步运动，加速度传感器的安装方向与沉管运动方向一致，加速度传感器通过数据线与计算机的动态测试系统相连。
2.按权利要求1所述的测量沉管管节附连水质量的装置，其特征在于所述的弹簧将沉管的纵向两侧与水池的池壁相连，当沉管纵向运动时，沉管横向两侧的弹簧等效刚度相同；或者用弹簧将横向两侧与水池的池壁相连，当沉管横向运动时，沉管纵向两侧的弹簧等效刚度相同；或者用弹簧将沉管上下两侧分别与水池的池底和支撑横梁相连，当沉管升沉运动时，沉管上下两侧对角方向的弹簧等效刚度相同。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103398760A (zh) * 2013-08-16 2013-11-20 武汉理工大学 一种测量三体船附连水质量的实验装置和方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103398760A (zh) * 2013-08-16 2013-11-20 武汉理工大学 一种测量三体船附连水质量的实验装置和方法

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