CN207850850U - 一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统，包括力加载系统、桶形基础、监测装置和控制装置，所述力加载系统设置在桶形基础的一侧，所述力加载系统对桶形基础施加循环载荷模拟风暴载荷和潮汐载荷，所述控制装置对所述力加载系统施加给桶形基础的循环荷载进行控制，所述监测装置监测桶形基础在循环载荷过程中发生的应变、位移和力的数据，并传输给控制装置，所述控制装置对数据进行处理和分析。本实用新型可以在桩基工程中得到广泛使用，易于上手，实验现象明了直观，实验结果准确可靠。

Description

一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统

技术领域

本实用新型涉及桩基工程研究领域，尤其涉及一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统。

背景技术

风能是一种安全、清洁、稳定的可再生能源，是缓解当前能源短缺、解决环境污染问题的战略选择。风力发电是目前技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式之一。我国具有漫长的海岸线，风能储量大，开发前景好。随着风能开发从陆上走向沿海，特殊而恶劣的环境对风机基础和整体结构的施工和运行提出了更高的要求。因此，沿海风机建造的技术难度和经济成本也将显著提高，并成为制约其快速发展的瓶颈。吸力式桶形基础(简称吸力桶或桶形基础)，因其具有安装简便、抗倾覆承载力高、节约材料、可重复利用等优点而将逐渐成为今后沿海风机基础形式之一。而沿海风机支撑结构，因其高且柔的结构特点和质量与刚度的分布规律，决定了它是一种自身动力特性受环境荷载、基础刚度等因素影响异常敏感的结构物。

沿海风机桶形基础一般埋于泥土或者沙土中，不同条件下的桶形基础的工作性能也有很大的不同。循环载荷的加载力、加载频率和循环次数都会对桶形基础的承载能力产生一定的影响，同时循环载荷的均值和幅值都会对基础的循环载荷力产生影响，因此在估算基础的承载能力时要同时考虑到三者之间的相互影响。当土壤的性质较差时，基础和土壤之间的脱开现象也非常容易发生，桶形基础的动力响应还和历史上基础经历的最大位移有关。

目前国内对于水平循环载荷下风机桶性基础的承载性能的试验研究非常有限，在实际工程中并没有确切的数据支撑保证施工安全，因此研究风机桶形基础的承载性能对于社会效益和施工安全都有很大的益处。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的实施例提供了一种研究桶形基础在不同循环载荷下的承载性能，为风机施工提供实验数据支撑的风机桶形基础水平循环载荷加载系统。

本实用新型的实施例提供一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统，包括力加载系统、桶形基础、监测装置和控制装置，所述力加载系统设置在桶形基础的一侧，所述力加载系统对桶形基础施加循环载荷模拟风暴载荷和潮汐载荷，所述控制装置对所述力加载系统施加给桶形基础的循环荷载进行控制，所述监测装置监测桶形基础在循环载荷过程中发生的应变、位移和力的数据，并传输给控制装置，所述控制装置对数据进行处理和分析。

进一步，所述力加载系统包括反力架、电动推杆、弹簧和传力支撑杆，所述传力支撑杆的一侧固定在桶形基础的上部，所述弹簧在传力支撑杆内，且水平连接电动推杆，所述电动推杆安装在反力架上，所述反力架固定在地面上，所述电动推杆连接控制装置，所述控制装置控制所述电动推杆周期性运动，所述电动推杆的周期性运动推动弹簧周期性收缩和复原，进而对桶形基础施加循环载荷。

进一步，所述监测装置包括位移传感器、力传感器和应变片，所述力传感器安装在传力支撑杆内，所述位移传感器通过拉绳连接桶形基础的上部，且所述位移传感器的位置与电动推杆的位置相对，所述应变片贴在桶形基础的下部，所述力传感器、位移传感器和应变片均连接控制装置。

进一步，所述桶形装置设置在一箱体中，所述桶形装置的周围均填充沙土，所述桶形装置在沙土中保持垂直，且桶形装置的下部在沙土中，所述位移传感器安装在箱体的一侧边缘上侧。

进一步，所述控制装置包括计算机、单片机和数据采集卡，所述应变片连接数据采集卡，所述数据采集卡连接单片机，所述位移传感器、力传感器和电动推杆连接单片机，所述单片机连接计算机，所述数据采集卡每隔一段时间读取和记录所述应变片的数据，并通过单片机传输给计算机，所述位移传感器和力传感器将监测的位移和力的数据实时传输至单片机，所述单片机对数据进行处理后传输给计算机，所述计算机通过单片机控制电动推杆的运行。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)能够直观的观察风机桶形基础在不同的循环载荷情况下的工作情况，也能用数据采集卡和计算机软件获取的数据进行进一步研究。

(2)能够通过换用不同的弹簧改变载荷幅值和载荷均值，能通过单片机控制改变循环次数和循环频率，从而可以模拟风暴载荷、潮汐载荷等一系列水平循环载荷。

(3)除了能够对桶形基础施加水平循环载荷之外，还能够通过改变填土种类和单片机控制，实现对基础的水平静载荷，进行不同条件下的桶形基础极限承载性能研究。

(4)结构简单，易于使用，模型和装置价格便宜，能够重复使用，不会造成污染和浪费。

(5)采用计算机和单片机联合控制，计算机界面简单易操作，数据和图形能够实时显示和即刻保存，整个实验单人控制计算机即可完成，使用高精度传感器和数据采集卡，能够减少误差。

附图说明

图1是本实用新型一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统的一示意图。

图2是本实用新型一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统的另一示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本实用新型的实施例提供了一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统，包括力加载系统1、桶形基础2、监测装置3、控制装置4、箱体5和沙土6。

桶形基础2、箱体5和沙土6构成试验对象，箱体5的长宽高皆为1200mm，桶形基础2为混凝土钢桶，直径为240mm，高度为700mm，桶形装置2设置在箱体5中，优选在箱体5的中间，所述桶形装置2的周围和下部均填充沙土，所述桶形装置2在沙土中保持垂直，且桶形装置2的下部在沙土6中，埋于沙土6下为500mm，沙土6为实验用土，可以随意更换，得到不同条件下的实验结果。

力加载系统1设置在桶形基础2的一侧，力加载系统1对作为试验对象的桶形基础2施加模拟风暴载荷、潮汐载荷等的循环载荷，力加载系统1包括反力架11、电动推杆12、弹簧13和传力支撑杆14，所述传力支撑杆14的一侧固定在桶形基础2的上部，优选通过焊接进行固定，所述弹簧13在传力支撑杆14内，且水平连接电动推杆12，传力支撑杆14为部分空心圆柱体，弹簧13自然状态的长度长于传力支撑杆14的长度，所述电动推杆12安装在反力架11上，并通过螺栓连接紧固，所述反力架11固定在地面上。

监测装置3包括位移传感器31、力传感器32和应变片33，所述力传感器32安装在传力支撑杆14内，所述位移传感器31通过拉绳311连接桶形基础2的上部，且所述位移传感器31的位置与电动推杆12的位置相对，即位移传感器31安装在箱体5的一侧边缘上侧，电动推杆12在箱体5的另一侧，所述应变片33贴在桶形基础2的下部，且位于沙土6中。

控制装置4对所述力加载系统1施加给桶形基础2的循环荷载进行控制，所述监测装置3监测桶形基础2在循环载荷过程中发生的应变、位移和力的数据，并传输给控制装置4，所述控制装置4对数据进行处理和分析。

控制装置4包括计算机41、单片机42和数据采集卡43，所述电动推杆12、力传感器32、位移传感器31和应变片33均连接控制装置4，优选地，所述位移传感器31、力传感器32和电动推杆12连接单片机42，所述应变片33连接数据采集卡43，所述数据采集卡43连接单片机42，所述单片机42连接计算机41，所述数据采集卡43每隔一段时间读取和记录所述应变片33的数据，并通过单片机42传输给计算机41，所述位移传感器31和力传感器32将监测的位移和力的数据实时传输至单片机42，所述单片机42对数据进行处理后传输给计算机41，所述计算机41通过单片机42控制电动推杆12的运行，即所述控制装置4控制所述电动推杆12周期性运动，所述电动推杆12的周期性运动推动弹簧13周期性收缩和复原，进而对桶形基础2施加循环载荷。

计算机41上的控制界面能够通过单片机42实现电动推杆12控制、力和位移数据获取保存及图形绘制、应变片数据获取，力加载系统1运行时，位移传感器31和力传感器32将获得的数据传输至单片机42，单片机42将数据处理之后发送至计算机41进行实时图形显示和数据图形保存，便于进行深入研究，即使用计算机41记录应变片33、力传感器32和位移传感器31的数据，绘制桶形基础2顶部的位移路径图和受力图并联合分析，从而研究风机桶形基础2在循环载荷下的工作情况。同时，对桶形基础2施加水平静载荷从而进行风机桶形基础极限静载荷研究，该装置可以在桩基工程中得到广泛使用，易于上手，实验现象明了直观，实验结果准确可靠。

该风机桶形基础水平循环载荷加载系统的具体工作过程为：

(1)填土与桶形基础准备。本实例中箱体5长宽高皆为1200mm，选用的沙土10的黏粒，粉粒和砂砾分别占比5％，90％，5％，一定程度上代表了我国沿海地区地基条件。桶形基础2选用直径240mm的混凝土钢桶，将沙土10填充至约700mm高度，后将桶形基础2放置于已填好土层的中央，继续填土，直至填满整个箱体5。填土过程中要保证桶形基础2保持垂直状态，填好之后将表层抹平，以便于观察实验现象。

(2)实验装置安装。将装有沙土10和桶形基础2的箱体5放置于符合要求的实验场所，后将传力支撑杆14焊接于桶形基础2上，依次将力传感器32和弹簧13装入传力支撑杆14中，并实现锁紧。将反力架11放置于靠近传力支撑杆14一侧，与箱体5保持合适距离，底部与地面紧固，同时将电动推杆12安装于反力架11上，使得电动推杆12与弹簧13保持在同一直线上。

(3)控制系统配置。将计算机41、单片机42和数据采集卡43置于距离实验装置两米处，避免实验时造成数据采集不够稳定。连接好电动推杆12、力传感器32、位移传感器31与单片机42之间数据线，连接好数据采集卡43和应变片33之间的连线。保证连线正确且稳定。

(4)开始实验。打开计算机41中专为本系统设计的操作界面，保证通讯畅通，设置好循环次数，打开数据采集卡43后即可点击开始按钮，实验过程中电动推杆12的运行和相关数据采集皆为自动进行，注意观察和记录实验现象。实验完成后点击操作界面保存按钮实现相关数据和图形的保存。

(5)当达到下列条件之一时实验结束：

条件A:累计水平位移超过设定值，桶形基础2本身发生失稳破坏；

条件B:已完成实验设置的载荷循环次数。

(6)实验结束。收回实验装置，保存和处理实验数据，记录实验现象，编写实验报告。

工作原理：实验时的对象为直径为240mm，高为700mm的桶形基础2，埋于沙土下部分为500mm。利用力加载系统1施加模拟风暴载荷，模拟潮水载荷等循环载荷，位移传感器31和力传感器32监测，并通过单片机42记录桶形基础2的位移数据和压力数据，绘制桶形基础2顶端的位移变化图和压力变化图，并将二者进行比较分析。数据采集卡43记录应变片33读数，从而研究水平循环载荷风机桶形基础的承载性能。

本实用新型能够直观的观察风机桶形基础在不同的循环载荷情况下的工作情况，也能用数据采集卡和计算机软件获取的数据进行进一步研究；能够通过换用不同的弹簧改变载荷幅值和载荷均值，能通过单片机控制改变循环次数和循环频率，从而可以模拟风暴载荷、潮汐载荷等一系列水平循环载荷；除了能够对桶形基础施加水平循环载荷之外，还能够通过改变填土种类和单片机控制，实现对基础的水平静载荷，进行不同条件下的桶形基础极限承载性能研究；结构简单，易于使用，模型和装置价格便宜，能够重复使用，不会造成污染和浪费；采用计算机和单片机联合控制，计算机界面简单易操作，数据和图形能够实时显示和即刻保存，整个实验单人控制计算机即可完成，使用高精度传感器和数据采集卡，能够减少误差。

基于上述风机桶形基础水平循环载荷加载系统，利用示意图对所述系统进行详细描述，为了便于说明，表示装置结构的示意图不以一般比例做局部放大，不因以此作为本实用新型的限定，在实际制作中，应该包含具体的三维尺寸。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点,对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风机桶形基础水平循环载荷加载系统，其特征在于，包括力加载系统、桶形基础、监测装置和控制装置，所述力加载系统设置在桶形基础的一侧，所述力加载系统对桶形基础施加循环载荷模拟风暴载荷和潮汐载荷，所述控制装置对所述力加载系统施加给桶形基础的循环荷载进行控制，所述监测装置监测桶形基础在循环载荷过程中发生的应变、位移和力的数据，并传输给控制装置，所述控制装置对数据进行处理和分析。

2.根据权利要求1所述的风机桶形基础水平循环载荷加载系统，其特征在于，所述力加载系统包括反力架、电动推杆、弹簧和传力支撑杆，所述传力支撑杆的一侧固定在桶形基础的上部，所述弹簧在传力支撑杆内，且水平连接电动推杆，所述电动推杆安装在反力架上，所述反力架固定在地面上，所述电动推杆连接控制装置，所述控制装置控制所述电动推杆周期性运动，所述电动推杆的周期性运动推动弹簧周期性收缩和复原，进而对桶形基础施加循环载荷。

3.根据权利要求2所述的风机桶形基础水平循环载荷加载系统，其特征在于，所述监测装置包括位移传感器、力传感器和应变片，所述力传感器安装在传力支撑杆内，所述位移传感器通过拉绳连接桶形基础的上部，且所述位移传感器的位置与电动推杆的位置相对，所述应变片贴在桶形基础的下部，所述力传感器、位移传感器和应变片均连接控制装置。

4.根据权利要求3所述的风机桶形基础水平循环载荷加载系统，其特征在于，所述桶形装置设置在一箱体中，所述桶形装置的周围均填充沙土，所述桶形装置在沙土中保持垂直，且桶形装置的下部在沙土中，所述位移传感器安装在箱体的一侧边缘上侧。

5.根据权利要求3所述的风机桶形基础水平循环载荷加载系统，其特征在于，所述控制装置包括计算机、单片机和数据采集卡，所述应变片连接数据采集卡，所述数据采集卡连接单片机，所述位移传感器、力传感器和电动推杆连接单片机，所述单片机连接计算机，所述数据采集卡每隔一段时间读取和记录所述应变片的数据，并通过单片机传输给计算机，所述位移传感器和力传感器将监测的位移和力的数据实时传输至单片机，所述单片机对数据进行处理后传输给计算机，所述计算机通过单片机控制电动推杆的运行。