新型海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用模型試驗(yàn)平臺的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種為海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土的動力相互作用的研究提供一整套模型試驗(yàn)平臺。它包括基礎(chǔ)部分及三套不同時裝配的組成部分，基礎(chǔ)部分包括矩形體試驗(yàn)槽、吸力式桶形基礎(chǔ)，吸力式桶形基礎(chǔ)內(nèi)外壁粘貼若干微孔透水薄片。本實(shí)用新型包括的基礎(chǔ)部分及三套不同時裝配的組成部分，在實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)設(shè)置了模擬粉土海床地基后，通過第一套組成部分和第二套組成部分試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行第三套組成部分安裝后的試驗(yàn)，可以得到風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在一定特性的循環(huán)荷載作用下的基礎(chǔ)剛度及上部結(jié)構(gòu)動力特性發(fā)展演變過程。通過本實(shí)用新型試驗(yàn)平臺所得到的結(jié)論，在一定程度上可以有效填補(bǔ)國內(nèi)外在這方面的理論研究空白，并對今后海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的指導(dǎo)作用。
【專利說明】新型海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用模型試驗(yàn)平臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及海上試驗(yàn)平臺，特別涉及海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與土的動力相互作用的模型試驗(yàn)平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]海上風(fēng)能作為一種安全、清潔、穩(wěn)定的可再生能源，在歐美等西方國家已經(jīng)得到了大規(guī)模的開發(fā)和利用。隨著能源短缺與環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，我國在“十二五”期間也提出了要實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的總裝機(jī)容量在2015年達(dá)到5000MW的目標(biāo)。
[0003]目前，一座:MW海上風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行工況下的葉片轉(zhuǎn)動速率大約為8.6?18.4rpm，所產(chǎn)生的IP激振力頻率為0.14?0.3IHz ;對于三個葉片的風(fēng)機(jī)，由于葉片轉(zhuǎn)動對風(fēng)機(jī)塔架的“遮蔽效應(yīng)”所產(chǎn)生的3P激振力頻率為0.42?0.93Hz。另外，對于海上風(fēng)機(jī)所受的風(fēng)、浪、流等特殊的環(huán)境荷載形式，風(fēng)和波浪及流荷載的主導(dǎo)頻率為0.1?1.0Hz0當(dāng)前風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計參照較多的國外DNV規(guī)范又在IP及3P頻率帶的基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)預(yù)留出的±10%的安全度。因此，在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了避免結(jié)構(gòu)的自振頻率接近于這些激振力的頻率帶而發(fā)生共振的危險，對于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計師而言是一項巨大的挑戰(zhàn)。目前，在綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，一般選擇“剛-柔(soft-stiff)”性(風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計自振頻率介于IP與3P頻率帶之間)的結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)。
[0004]海上風(fēng)機(jī)是一種高柔性的結(jié)構(gòu)，其自身動力特性隨基礎(chǔ)剛度的變化非常敏感。因此，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定是整個結(jié)構(gòu)能否正常運(yùn)行的根本。而目前海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的建造成本已占到了總成本的34%之多，故風(fēng)機(jī)設(shè)計中選擇一個合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型及尺寸是高效低成本開發(fā)海上風(fēng)能的關(guān)鍵。若按照極限承載力狀態(tài)的設(shè)計準(zhǔn)則，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計一般均能滿足工程要求。但風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)除了應(yīng)滿足極限承載力狀態(tài)(ULS)外，更重要的還要滿足服役極限狀態(tài)(SLS)及疲勞極限狀態(tài)(FLS)的要求。國際上以英國牛津大學(xué)Houlsby教授為代表的研究團(tuán)隊，就海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的服役極限狀態(tài)(SLS)開展了一定不同比尺的模型試驗(yàn)研究，主要關(guān)注的焦點(diǎn)是基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的累積變形及剛度衰退等關(guān)鍵科學(xué)問題。研究了基礎(chǔ)類型(重力式基礎(chǔ)、單樁和吸力式桶形基礎(chǔ)等)及尺寸、循環(huán)荷載類型(單向、雙向加載)、加載幅值、加載頻率和循環(huán)次數(shù)等因素對上述問題的影響。并針對能保證上部機(jī)艙和葉輪部位正常運(yùn)行下的對基礎(chǔ)累積變形最大容許度(如樁頭最大累積轉(zhuǎn)角變形0.5度)，提出了以變形控制為目標(biāo)的設(shè)計準(zhǔn)則。
[0005]海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計使用壽命為25?30年，在此期間要經(jīng)歷大約IO8次上部循環(huán)荷載的作用。目前，就風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在長期循環(huán)荷載作用下的疲勞極限狀態(tài)(FLS)研究，還缺少相應(yīng)的現(xiàn)場長期實(shí)測資料的支撐。根據(jù)已有的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，荷蘭Lely風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行半年后，結(jié)構(gòu)的自振頻率已由設(shè)計值的0.41Hz增大到了 0.63Hz?？偹苤?，結(jié)構(gòu)自振頻率的變化勢必對其造成嚴(yán)重的安全隱患。但是，當(dāng)前就基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在長期循環(huán)荷載作用下的剛度變化對上部結(jié)構(gòu)動力特性(如結(jié)構(gòu)自振頻率)演變規(guī)律的影響，國內(nèi)外還缺乏相應(yīng)的研究。尤其是建立上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土為一體的耦合系統(tǒng)，研究循環(huán)荷載作用下的該系統(tǒng)內(nèi)部各個子結(jié)構(gòu)之間的動力相互作用是當(dāng)前在大力發(fā)展海上風(fēng)機(jī)的大背景下亟待解決的一項艱巨的工程難題。詳見文獻(xiàn)〈Bhattacharya S., Adhikari
S.， 2011.Experimental validation of soil—structure interaction of offshorewind turbines.Soil Dynamics and Earthquake Engineering 31，805-816.> 和文獻(xiàn)〈Lombardi D.，Bhattacharya S.，Wood D.M.，2013.Dynamic soil-structureinteraction of monopile supported wind turbines in cohesive soil.Soil Dynamicsand Earthquake Engineering 49， 165-180.>D
[0006]如上述荷蘭Lely風(fēng)電場的短期監(jiān)測數(shù)據(jù)所報道的，由基礎(chǔ)在長期循環(huán)荷載作用下的剛度變化而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)自振頻率的變化。這一變化可能就會使得原本安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計頻率落到某一外界激振力的頻率帶范圍內(nèi)而變得不再安全。如何采取一定的工程措施最大限度降低結(jié)構(gòu)因自振頻率變化而帶來的安全隱患或是在結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取怎樣的設(shè)計方法降低這種負(fù)面效應(yīng)的影響將是工程師所面臨的一項巨大挑戰(zhàn)。相比于現(xiàn)場原型試驗(yàn)及離心機(jī)試驗(yàn)而言，Ig小比尺模型試驗(yàn)具有低成本、節(jié)約時間、操作簡單直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，在某種程度上能揭示一定的物理規(guī)律。根據(jù)Ig模型試驗(yàn)所揭示的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型及幾何尺寸、循環(huán)荷載加載性狀(幅值、頻率和次數(shù))等因素對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動力特性的影響規(guī)律，可以為今后風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一定的指導(dǎo)，這項工作具有十分重要的科學(xué)研究意義及工程應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種為海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土的動力相互作用的研究提供一整套模型試驗(yàn)平臺。
[0008]為此，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:它包括基礎(chǔ)部分及三套不同時裝配的組成部分，所述基礎(chǔ)部分包括設(shè)置模擬粉土海床地基的矩形體試驗(yàn)槽，所述粉土海床地基頂端中部設(shè)置有吸力式桶形基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)槽四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基礎(chǔ)內(nèi)外壁粘貼若干微孔透水薄片。這里風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分選擇了今后國內(nèi)外海上風(fēng)電場中最具發(fā)展?jié)摿Φ奈κ酵靶位A(chǔ)模型，今后有研究需要時，可以在本實(shí)用新型裝置基礎(chǔ)上，將基礎(chǔ)模型換成單樁、三樁等其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型。
[0009]第一套組成部分包括軸向油壓安裝系統(tǒng)、第一滑輪組、加載重物及安裝在吸力式桶形基礎(chǔ)頂面的傾角傳感器和外表面帶孔的水平加載桿，所述軸向油壓安裝系統(tǒng)包括與試驗(yàn)槽頂端連接的框架部分、軸向油壓安裝系統(tǒng)面板、油壓缸及油壓缸下方的第一力傳感器及第一力傳感器下方連接的垂直于吸力式桶形基礎(chǔ)頂面的萬向接頭，所述第一滑輪組的柔索一端連接在吸力式桶形基礎(chǔ)頂面，另一端連接有加載重物，柔索上設(shè)置有第二力傳感器；
[0010]第二套組成部分包括與第一套組成部分相同的軸向油壓安裝系統(tǒng)、加載重物、安裝在吸力式桶形基礎(chǔ)頂面的傾角傳感器和外表面帶孔的水平加載桿及與第一套組成部分不同的第二滑輪組和連接至水平加載桿上的位移傳感器，所述第二滑輪組的柔索一端連接在水平加載桿上，另一端連接有加載重物，柔索上設(shè)置有第二力傳感器；
[0011]第三套組成部分包括連接在吸力式桶形基礎(chǔ)頂部的海上風(fēng)機(jī)模型，所述海上風(fēng)機(jī)模型包括設(shè)置在吸力式桶形基礎(chǔ)頂部中心的頂端帶有集中質(zhì)量塊的鋼管及在鋼管和質(zhì)量塊上安裝的若干個加速度傳感器，此外，第三套組成部分還設(shè)有與試驗(yàn)槽相鄰的支架、放置在支架上的700N高能激振器和混凝土塊，700N高能激振器通過連接桿與鋼管垂直剛性連接，并與循環(huán)加載操作箱連接；所述加速度傳感器在質(zhì)量塊上沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一個，在連接桿與鋼管的連接部位沿著激振力方向布置了一個，所述連接桿上設(shè)置有拉壓力傳感器。
[0012]在采用以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還可以采用以下進(jìn)一步方案:
[0013]試驗(yàn)槽底部為由PVC排水管、礫石、鋼絲網(wǎng)和無紡?fù)凉げ妓M成的30cm厚的排水系統(tǒng)，用來加速槽內(nèi)土體的排水固結(jié)。
[0014]所述試驗(yàn)槽尺寸為:3mXl.2mXl.5m (長X寬X高)，由無縫鋼板加工而成，表面經(jīng)過了防腐處理。
[0015]吸力式桶形基礎(chǔ)的外徑均為26.6cm,其長徑比為0.5-1.0。
[0016]吸力式桶形基礎(chǔ)內(nèi)外側(cè)布置了若干孔隙水壓力傳感器。
[0017]由于采用了本實(shí)用新型的技術(shù)方案，本實(shí)用新型設(shè)計了一套模擬海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用的模型試驗(yàn)平臺，它包括了基礎(chǔ)部分及三套不同時裝配的組成部分，在實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)設(shè)置了模擬粉土海床地基后，通過第一套組成部分和第二套組成部分試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行第三套組成部分安裝后的試驗(yàn)，可以得到風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在一定特性的循環(huán)荷載作用下的基礎(chǔ)剛度及上部結(jié)構(gòu)動力特性(自振頻率)發(fā)展演變過程，并據(jù)此研究吸力式桶形基礎(chǔ)幾何尺寸，循環(huán)荷載加載特性(幅值、頻率、次數(shù))等因素對其影響規(guī)律。通過本實(shí)用新型試驗(yàn)平臺所得到的結(jié)論，在一定程度上可以有效填補(bǔ)國內(nèi)外在這方面的理論研究空白，并對今后海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的指導(dǎo)作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型在測量基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動剛度的力控制的偏心加載裝置示意圖。
[0019]圖2為本實(shí)用新型在測量基礎(chǔ)水平剛度及水平剛度與轉(zhuǎn)動剛度之間耦合效應(yīng)的力控制的水平加載裝置示意圖。
[0020]圖3為本實(shí)用新型所述吸力式桶形基礎(chǔ)長徑比為0.5的示意圖。
[0021]圖4為本實(shí)用新型所述吸力式桶形基礎(chǔ)長徑比為0.75的示意圖。
[0022]圖5為本實(shí)用新型所述吸力式桶形基礎(chǔ)長徑比為I的示意圖。
[0023]圖6為本實(shí)用新型在測量結(jié)構(gòu)自振頻率及循環(huán)荷載加載裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]參照圖1至圖6，本實(shí)用新型包括基礎(chǔ)部分及三套不同時裝配的組成部分，所述基礎(chǔ)部分包括設(shè)置模擬粉土海床地基的矩形體試驗(yàn)槽4，所述粉土海床地基頂端中部設(shè)置有吸力式桶形基礎(chǔ)7，實(shí)驗(yàn)槽4四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基礎(chǔ)內(nèi)外壁粘貼若干微孔透水薄片8。
[0025]試驗(yàn)槽內(nèi)設(shè)置的粉土海床地基代表了我國東南沿海離岸IOkm范圍內(nèi)在建或潛在風(fēng)電場的典型地基條件；所述試驗(yàn)槽尺寸為:3mXl.2mXl.5m(長X寬X高)，由無縫鋼板加工而成，表面經(jīng)過了防腐處理。試驗(yàn)槽底部為由PVC排水管、礫石、鋼絲網(wǎng)和無紡?fù)凉げ妓M成的30cm厚的排水系統(tǒng)，用來加速試驗(yàn)槽內(nèi)土體的排水固結(jié)。試驗(yàn)槽內(nèi)粉土海床地基通過泥漿沉降法進(jìn)行制備，并讓其在自重作用下固結(jié)沉降I個月，最終形成的粉土層厚度為 80cm。
[0026]吸力式桶形基礎(chǔ)7為今后國內(nèi)外海上風(fēng)電場中最具發(fā)展?jié)摿Φ奈κ酵靶位A(chǔ)模型，用無縫不銹鋼材料加工而成，壁厚3mm。為了研究不同長徑比(裙高與基礎(chǔ)直徑之比)的基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)整體動力特性的影響，這里選用了三個不同比尺的吸力桶模型，長徑比可以為0.5-1.0，如圖3、圖4、圖5所示，分別表示的是長徑比為0.5，0.75，和I的吸力式桶形基礎(chǔ)701、702、703，但其外徑均為26.6cm。
[0027]參照圖1至圖6，圖1為第一套組成部分，圖2為第二套組成部分，圖6為第三套組成部分。
[0028]第一套組成部分包括軸向油壓安裝系統(tǒng)1、第一滑輪組101、加載重物3及安裝在吸力式桶形基礎(chǔ)7頂面的傾角傳感器9和外表面帶孔的水平加載桿13，所述軸向油壓安裝系統(tǒng)I包括與試驗(yàn)槽4頂端連接的框架部分、軸向油壓安裝系統(tǒng)面板15、油壓缸16及油壓缸16下方的第一力傳感器11及第一力傳感器11下方連接的垂直于吸力式桶形基礎(chǔ)7頂面的萬向接頭17，所述第一滑輪組101的柔索105 —端連接在吸力式桶形基礎(chǔ)7頂面，另一端連接有加載重物3，柔索上設(shè)置有第二力傳感器10。
[0029]第二套組成部分包括與第一套組成部分相同的軸向油壓安裝系統(tǒng)1、加載重物3、安裝在吸力式桶形基礎(chǔ)7頂面的傾角傳感器9和外表面帶孔的水平加載桿13及與第一套組成部分不同的第二滑輪組102和連接至水平加載桿上的位移傳感器14，所述第二滑輪組102的柔索105 —端連接在水平加載桿13上，另一端連接有加載重物3，柔索105上設(shè)置有第二力傳感器10，第二套組成部分中的柔索105及第二力傳感器10與第一套組成部分的相同；
[0030]第三套組成部分包括連接在吸力式桶形基礎(chǔ)頂部的海上風(fēng)機(jī)模型，所述海上風(fēng)機(jī)模型包括設(shè)置在吸力式桶形基礎(chǔ)頂部中心的頂端帶有集中質(zhì)量塊15的鋼管16及在鋼管16和質(zhì)量塊15上安裝的若干個加速度傳感器17，此外，第三套組成部分還設(shè)有與試驗(yàn)槽4相鄰的支架22、放置在支架22上的700N高能激振器19和混凝土塊21 (主要為了固定700N高能激振器)，700N高能激振器19通過連接桿18與鋼管16垂直剛性連接，并與循環(huán)加載操作箱20連接；所述加速度傳感器17在質(zhì)量塊15上沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一個，在連接桿18與鋼管16的連接部位沿著激振力方向布置了一個。通過給循環(huán)加載操作箱20輸入一定的控制信號，激振器19可以輸出一定幅值和頻率的正弦激振力信號，并通過剛性連接桿18施加到海上風(fēng)機(jī)模型上。連接桿18上設(shè)置有拉壓力傳感器23。模型中所用的鋼管16也可以稱之為海上風(fēng)機(jī)的塔架，它其實(shí)是長lm，外徑3.8cm，壁厚3mm的鋼管。鋼管16頂端施加的一個集中質(zhì)量塊15代表實(shí)際海上風(fēng)機(jī)的機(jī)艙、葉片和葉輪等部件的質(zhì)量，重為2.0kgo所述連接桿18上設(shè)置有拉壓力傳感器23。
[0031]所述試驗(yàn)平臺的實(shí)測數(shù)據(jù)由以下五類傳感器并通過相應(yīng)的信號放大器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得。上述位移傳感器(LVDT)14，傾角傳感器9及柔索105中的拉力傳感器10，分別用于量測基礎(chǔ)水平位移、轉(zhuǎn)角位移和所施加的拉力大?。粍傂赃B接桿18上的拉壓力傳感器23用于量測輸出的激振力信號；吸力桶7內(nèi)外側(cè)不同位置處所布置的孔隙水壓力傳感器8，用于記錄吸力桶模型7周圍土體中的孔隙水壓在上部循環(huán)荷載作用下的累積及消散情況，并據(jù)此建立與基礎(chǔ)剛度變化之間的關(guān)系；剛性連接桿18與塔架16連接處及頂部所布置的加速度傳感器17，主要用于量測模型在自由振動階段的加速度信號，該數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅立葉變換(FFT )可得到結(jié)構(gòu)的自振頻率。
[0032]由本實(shí)用新型專利所提供的海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用模型試驗(yàn)平臺可按以下步驟進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)的操作:
[0033]I)設(shè)置試驗(yàn)槽4底部排水系統(tǒng)5，并布置粉土海床地基6。首先，在試驗(yàn)槽4底部鋪設(shè)5cm外徑的PVC排水管，排水管上預(yù)留有小孔；再鋪上一層平均粒徑為2?3cm的礫石，礫石層頂部加一層無紡?fù)凉た椢锓乐辜?xì)土顆粒被滲流水帶走；最后，為防止土工織物的移動，可在其表面加上一層鋼絲網(wǎng)，這樣最終形成了一個厚度大約為30cm的底部排水系統(tǒng)
5。將配制均勻的干燥粉土樣加水?dāng)嚢璩赡酀{，含水率大致控制在95%?100%，將泥漿倒入試驗(yàn)槽4進(jìn)行固結(jié)，土樣在其自重作用下經(jīng)過近I個月時間固結(jié)沉降后所形成的粉土海床地基6厚度大約為80cm。
[0034]2)在頂端封閉、底部開口的吸力式桶形基礎(chǔ)7內(nèi)外壁不同高度處粘帖微孔透水薄片8，并通過PVC細(xì)管與孔隙水壓傳感器(PPT)相連，試驗(yàn)前對PVC細(xì)管進(jìn)行排水飽和。在試驗(yàn)前同時檢查各類傳感器及信號放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常。
[0035]3)通過試驗(yàn)槽上的軸向油壓安裝系統(tǒng)I將吸力式桶形基礎(chǔ)7安裝到位，并連接好偏心加載裝置。觀察數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中吸力式桶形基礎(chǔ)7周圍土體中孔隙水壓力的變化情況，當(dāng)孔壓消散到一定程度基本穩(wěn)定后，表明吸力式桶形基礎(chǔ)7的安裝對周圍土體的擾動已經(jīng)基本消除，此時可以進(jìn)行下面的試驗(yàn)了。
[0036]4)通過圖1所示的試驗(yàn)平臺對吸力式桶形基礎(chǔ)7施加不同荷載水平的豎向偏心加載作用，并通過傾角傳感器9記錄每級荷載作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的吸力式桶形基礎(chǔ)7頂部所產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)角位移，通過偏心距與荷載乘積得到作用在基礎(chǔ)中心的彎矩大小，結(jié)合頂部轉(zhuǎn)角位移數(shù)據(jù)即可得到基礎(chǔ)的初始轉(zhuǎn)動剛度(忽略豎向剛度與轉(zhuǎn)動剛度的耦合效應(yīng))。其中，各級不同大小的荷載通過柔索105中布置的拉力傳感器10得到。
[0037]5)將帶孔的水平加載桿13連接至吸力式桶形基礎(chǔ)7頂部，并通過軸向油壓安裝系統(tǒng)I在一定高度上對吸力式桶形基礎(chǔ)施加水平荷載。通過不同級別水平加載作用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的位移傳感器14和傾角傳感器9所記錄的數(shù)據(jù)即可得到吸力式桶形基礎(chǔ)的初始水平剛度及水平與轉(zhuǎn)動剛度之間的耦合效應(yīng)。
[0038]6)移走吸力式桶形基礎(chǔ)7頂部的水平加載桿13和試驗(yàn)槽上的軸向油壓安裝系統(tǒng)1，并將帶有頂部集中質(zhì)量塊15的鋼管16通過螺栓連接至基礎(chǔ)頂部中心。如圖6所示，對模型結(jié)構(gòu)頂部施加一個小幅度位移，使其自由振動，并用布置在模型上不同位置處的加速度傳感器17采集相應(yīng)的加速度隨時間變化的信號，經(jīng)數(shù)據(jù)分析即可得到結(jié)構(gòu)的初始自振頻率。本步驟中的加速度傳感器17的布置位置及方式為:在模型頂部沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一個，在連接桿18與鋼管塔架16的連接部位沿著激振力方向布置第三個。
[0039]7)通過連接桿18將激振器19與鋼管16相連，并給循環(huán)加載操作箱20輸入一定的控制信號參數(shù)，使激振器19輸出一定大小和頻率的正弦激振力，并作用在海上風(fēng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)上。經(jīng)過一定時間的循環(huán)加載后(N1次)，斷開激振器19與鋼管16之間的連接桿18，與步驟6)中操作類似，給塔頂一個微小位移使其自由振動，并測量此時經(jīng)過N1次循環(huán)加載后結(jié)構(gòu)的自振頻率。然后，按步驟4)和5)操作方法，測量此時基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動剛度、水平剛度及兩者之間的耦合效應(yīng)。
[0040]8)再次連接好循環(huán)加載裝置，經(jīng)過另一個循環(huán)加載次數(shù)后(N2次)，再斷開鋼管16與激振器19之間的連接，依次按上述步驟6)、4)和5)進(jìn)行試驗(yàn)操作，可分別得到結(jié)構(gòu)經(jīng)過(N1+ N2)次循環(huán)加載后結(jié)構(gòu)的自振頻率，及此時吸力式桶形基礎(chǔ)7剛度參數(shù)。重復(fù)以上操作步驟，直到總的循環(huán)加載次數(shù)達(dá)到IO7?IO8量級停止試驗(yàn)，清理儀器并整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)循環(huán)加載操作箱輸入控制信號，在試驗(yàn)槽4內(nèi)另一位置(與上一次試驗(yàn)位置相距2倍吸力式桶形基礎(chǔ)7直徑以上)開展下一組試驗(yàn)。
[0041]通過Ig小比尺模型試驗(yàn)的方法，首先對吸力式桶形基礎(chǔ)7施加偏心及水平加載作用，獲得吸力式桶形基礎(chǔ)7的初始轉(zhuǎn)動剛度、水平剛度及轉(zhuǎn)動剛度與水平剛度之間的耦合效應(yīng)。由于目前對實(shí)際海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)研究中通常忽略水平剛度與轉(zhuǎn)動剛度耦合效應(yīng)在結(jié)構(gòu)自振頻率預(yù)測中的影響，而往往不能得到較精確的結(jié)果。通過本實(shí)用新型試驗(yàn)平臺即可得到轉(zhuǎn)動剛度與水平剛度之間的耦合效應(yīng)，在今后海上風(fēng)機(jī)自振頻率預(yù)測中有望得到更精確的結(jié)果。然后，在對海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)施加一定幅值和頻率的循環(huán)荷載作用前，測量其初始自振頻率，并研究其動力特性(結(jié)構(gòu)自振頻率)隨吸力式桶形基礎(chǔ)7幾何尺寸，及所施加的循環(huán)荷載的特征(幅值、頻率和次數(shù))等因素的變化規(guī)律。通過本實(shí)用新型所述的試驗(yàn)平臺試驗(yàn)所揭示的基本規(guī)律及整個物理過程中所遵循的與原型結(jié)構(gòu)之間的無量綱化的相似性比尺關(guān)系，可以得到實(shí)際原型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)所反映出來的類似的物理規(guī)律過程，為海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動力特性方面的理論和數(shù)值研究提供可靠的物理模型基礎(chǔ)，并對今后的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提出一定的指導(dǎo)性建議。
【權(quán)利要求】
1.新型海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用模型試驗(yàn)平臺，其特征在于它包括基礎(chǔ)部分及三套不同時裝配的組成部分，所述基礎(chǔ)部分包括設(shè)置模擬粉土海床地基的矩形體試驗(yàn)槽，所述粉土海床地基頂端中部設(shè)置有吸力式桶形基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)槽四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基礎(chǔ)內(nèi)外壁粘貼若干微孔透水薄片， 第一套組成部分包括軸向油壓安裝系統(tǒng)、第一滑輪組、加載重物及安裝在吸力式桶形基礎(chǔ)頂面的傾角傳感器和外表面帶孔的水平加載桿，所述軸向油壓安裝系統(tǒng)包括與試驗(yàn)槽頂端連接的框架部分、軸向油壓安裝系統(tǒng)面板、油壓缸、油壓缸下方的第一力傳感器及第一力傳感器下方連接的垂直于吸力式桶形基礎(chǔ)頂面的萬向接頭，所述第一滑輪組的柔索一端連接在吸力式桶形基礎(chǔ)頂面，另一端連接有加載重物，柔索上設(shè)置有第二力傳感器； 第二套組成部分包括與第一套組成部分相同的軸向油壓安裝系統(tǒng)、加載重物、安裝在吸力式桶形基礎(chǔ)頂面的傾角傳感器和外表面帶孔的水平加載桿及與第一套組成部分不同的第二滑輪組和連接至水平加載桿上的位移傳感器，所述第二滑輪組的柔索一端連接在水平加載桿上，另一端連接有加載重物，柔索上設(shè)置有第二力傳感器； 第三套組成部分包括連接在吸力式桶形基礎(chǔ)頂部的海上風(fēng)機(jī)模型，所述海上風(fēng)機(jī)模型包括設(shè)置在吸力式桶形基礎(chǔ)頂部中心的頂端帶有集中質(zhì)量塊的鋼管及在鋼管和質(zhì)量塊上安裝的若干個加速度傳感器，此外，第三套組成部分還設(shè)有與試驗(yàn)槽相鄰的支架、放置在支架上的700N高能激振器和混凝土塊，700N高能激振器通過連接桿與鋼管垂直剛性連接，并與循環(huán)加載操作箱連接；所述加速度傳感器在質(zhì)量塊上沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一個，在連接桿與鋼管的連接部位沿著激振力方向布置了一個，所述連接桿上設(shè)置有拉壓力傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的新型海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用模型試驗(yàn)平臺，其特征在于試驗(yàn)槽底部為由PVC排水管、礫石、鋼絲網(wǎng)和無紡?fù)凉げ妓M成的30cm厚的排水系統(tǒng)，用來加速槽內(nèi)土體的排水固結(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的新型海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用模型試驗(yàn)平臺，其特征在于所述試驗(yàn)槽尺寸為:3mX 1.2mX 1.5m(長X寬X高)，由無縫鋼板加工而成，表面經(jīng)過了防腐處理。
4.如權(quán)利要求1所述的新型海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用模型試驗(yàn)平臺，其特征在于吸力式桶形基礎(chǔ)的外徑均為26.6cm，其長徑比為0.5-1.0。
5.如權(quán)利要求1所述的新型海上風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-土動力相互作用模型試驗(yàn)平臺，其特征在于吸力式桶形基礎(chǔ)內(nèi)外側(cè)布置了若干孔隙水壓力傳感器。
【文檔編號】E02D33/00GK203455243SQ201320408576
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年7月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月6日
【發(fā)明者】王立忠, 余璐慶, 國振, 李玲玲 申請人:浙江大學(xué)