[发明专利]一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及加载方法

说明书

本发明涉及一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及加载方法，包括用于设定振动位置的平台运动结构、用于控制桩基振动频率和振幅的水平循环加载结构以及适用于多种桩径的桩基固定结构；其中，平台运动结构架设在试验水槽顶部，水平循环加载结构安装在由平台运动结构提供的平台上，其可绕桩基进行360°转动，桩基固定结构通过传动杆与水平循环加载结构连接；本发明原理简单、操作方便，可以使水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，同时使得水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，并可以实时控制桩基振动频率以及波流与桩自振方向夹角，此外还能够适应多种尺寸的桩基。

技术领域

本发明涉及一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及加载方法，属于海上风机桩基结构动力特性室内模型试验设备技术领域。

背景技术

风能以其蕴量巨大、可再生、分布广泛、污染较小等优势，受到了世界各国政府、企业、学者的广泛关注和研究。我国的风能总储量约 32.26亿kW，可开发风能约10亿kW。从风能来源的角度，可将风能分为陆上风能和海上风能。其中，海上风能资源储量大、高风速、低风切变、低湍流、噪音污染小和不占用耕地。在我国外海工程施工能力大幅提升背景下，海上风电项目也随之大力推进。

尽管上海东海大桥海上风电、江苏如东潮间带试验风电等多个项目业已投入生产，但是海上风机所特有的自身振动和复杂海况下的桩土共同作用机理研究却仍在起步阶段。此外，研究表明，当海上风机下部泥面由于桩土作用而被掏空、下降时，振动频率改变可能产生的共振会影响结构的承载力和耐久性，甚至带来毁灭性后果，因此相关研究对于工程设计也有一定的指导意义。

在以往室内试验中，用以产生近似于结构自身频率的循环荷载一般通过外加激振器或者以齿轮结构为主的循环加载装置施加。利用前者施加循环荷载的方法，易对土体产生扰动；以齿轮结构为主的循环加载装置已有发明专利发表，例如浙江大学国振等人发明的“用于海上风机支撑结构振动试验的多向循环加载装置及方法（CN201510624557.7）”，但是该装置控制的是施加外力不变，振动幅值却随振动时间推移逐渐变化，无法施加恒定幅值的水平循环荷载，因而在研究现阶段不便于量化桩土作用。

此外，实际复杂风象、海象下，桩基振动方向与外部荷载（波、流）方向并非是同一方向，反映到桩土作用中，会增大抑或是减小冲刷也未曾有人研究；另外，目前研究多是处在定频率持续振动桩基的桩土作用，实际外海工程中，海风瞬息万变，对应风机的频率也在时刻变化，频率变化是否会对桩土作用产生影响也是值得研究的问题；最后，目前其他学者设计的类似试验装置，桩基与施力装置之间的连接为固接，如若研究桩径变化的影响，试验后拆装更桩基换比较困难，此外适应的桩基也有限。

综上所述，有必要开发和研制一种水平循环加载系统，在保证操作简易的同时，使得水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，也可以实时控制桩基振动频率以及波流与桩自振方向夹角，最后该装置应能够适应多种尺寸的桩基。

发明内容

本发明提供一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统及加载方法，其原理简单、操作方便，可以使水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，同时使得水平循环荷载的幅值在试验中保持恒定，并可以实时控制桩基振动频率以及波流与桩自振方向夹角，此外还能够适应多种尺寸的桩基。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于海上风机桩基振动试验的水平循环加载系统，包括用于设定振动位置的平台运动结构、用于控制桩基振动频率和振幅的水平循环加载结构以及适用于多种桩径的桩基固定结构；其中，平台运动结构架设在试验水槽顶部，水平循环加载结构安装在由平台运动结构提供的平台上，其可绕桩基进行360°转动，桩基固定结构通过传动杆与水平循环加载结构连接；

作为本发明的进一步优选，前述的平台运动结构包括平动构件和桩基定轴转动构件，使平台在水槽顶部实现纵向、横向和水平方向的转动；