[发明专利]一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置及方法

说明书

本发明提供一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置及方法，属于桩基工程的技术领域，该装置包括支撑定位柱、扭矩加载模块和桩顶约束模块；支撑定位柱的数量为四个；扭矩加载模块包括用于套设在模型桩桩顶的分离箱、以所述模型桩的中心线为对称轴对称设置且第一端与分离箱固定连接的两个加载梁以及MTS作动器；桩顶约束模块包括桁架、齿轮组和扭矩弹簧；桁架的底部固定在支撑定位柱的顶端；齿轮组包括第一齿轮轴承、第一齿轮、第二齿轮轴承和第二齿轮；扭矩弹簧套设在第二齿轮轴承上，且分段对称设置在第二齿轮两侧，第一端固定在第二齿轮上，第二端固定在第二齿轮轴承或桁架上。该装置为桩顶柔性约束下桩的扭转试验研究提供试验测试手段。

技术领域

本发明涉及桩基工程的技术领域，特别是涉及一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置及方法。

背景技术

桩基础常常是桥梁、近海码头、海上平台、近海风机、跨海输电塔及高耸建筑物等大型建(构)筑物基础的首选基础类型。桩基础与上部建(构)筑物存在多种连接形式，如嵌入式连接和臼式连接等，使桩顶约束条件存在差异，是影响桩基水平受荷变形的关键因素之一。对于海上导管架钢管桩基础，以及桩头锚固不足或配筋过少的预制桩基础，受上部结构或承台的约束将弱于理想的桩顶嵌固情形(转角为0)，在风、波浪和强震等水平荷载作用下易导致桩头在承台(结构)内转动或随承台(结构)一起扭转。当桩与承台锚固牢靠时，桩头约束也将随承台转动而转动，难于形成理想的滑动约束状态。设计中如果对桩顶约束条件认识不足，可能使结构实际水平位移超出设计值。

中国发明专利（CN201310461860.0）公开了一种关于桩的静力加载试验装置。该装置在模型桩的加载点设有拉力绳，通过控制拉力绳倾斜角度，利用砝码对模型桩进行水平、竖向或耦合加载。中国发明专利（CN201410097278.5）公开了一种管桩纵、横向加载装置，可对管桩同时施加竖向和水平荷载，避免了分开加载时位移相互影响而引起荷载施加的不均匀，保证了加荷的精度。上述两套装置利用不同方式实现了桩基耦合加载，但总的说来，已有扭转加载装置大多针对桩顶自由状态，鲜有桩顶柔性约束下桩的扭转试验研究，且尚缺少与此相关的加载装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，以为桩顶柔性约束下桩的扭转试验研究提供试验测试手段，并以该装置为基础，提供一种模拟桩顶线性刚度约束的方法，计算得到桩顶反向约束扭矩。

本发明提供一种模拟桩顶线性刚度约束的扭矩加载装置，包括支撑定位柱、扭矩加载模块和桩顶约束模块；支撑定位柱的数量为四个，以模型桩为中心呈矩形设置，底端固定在支撑面上；扭矩加载模块包括用于套设在模型桩桩顶的分离箱、以所述模型桩的中心线为对称轴对称设置且第一端与分离箱固定连接的两个加载梁以及MTS作动器；加载梁和MTS作动器处于与支撑面平行的同一平面内；MTS作动器垂直于加载梁，加载头与加载梁固定连接，且以模型桩的中心线为对称轴对称设置；桩顶约束模块包括桁架、齿轮组和扭矩弹簧；桁架的底部固定在支撑定位柱的顶端；齿轮组包括第一齿轮轴承、第一齿轮、第二齿轮轴承和第二齿轮；第一齿轮轴承的轴线与模型桩的轴线共线，顶端固定在桁架上，底端悬空设置在模型桩桩顶；第一齿轮转动设置在第一齿轮轴承上，中心部与分离箱的顶部固定连接；第二齿轮轴承以第一齿轮轴承为对称轴对称设置，且两端均固定在桁架上；第二齿轮上设置有角度刻度，转动设置在第二齿轮轴承上，与第一齿轮处于与支撑面平行的同一平面内，直径小于第一齿轮的直径，且与第一齿轮啮合；扭矩弹簧套设在第二齿轮轴承上，且分段对称设置在第二齿轮两侧，第一端固定在第二齿轮上，第二端固定在第二齿轮轴承或桁架上。

进一步地，第一齿轮轴承和第二齿轮轴承的杆体上均设置有环形凹槽；第一齿轮套设在第一齿轮轴承的环形凹槽内，且与环形凹槽之间设置有滚珠；第二齿轮套设在第二齿轮轴承的环形凹槽内，且与环形凹槽之间设置有滚珠。