離心模型試驗側(cè)向靜力加荷裝置及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于土工離心機上的輔助裝置，具體涉及一種可用于側(cè)向靜力加荷作用工況離心模型試驗的裝置，特別適用于模擬各種作用于土體和結(jié)構(gòu)物上的橫向荷載，如簡化抗震分析側(cè)向荷載、結(jié)構(gòu)物上的風(fēng)荷載、船舶系纜力、波浪荷載、冰荷載等，以開展這些橫向荷載對土體和結(jié)構(gòu)物影響的試驗研究。
【背景技術(shù)】
[0002]側(cè)向荷載在巖土工程中的影響越來越大。例如:隨著海上石油的開發(fā)和大型船舶的出現(xiàn)，海洋樁基平臺及外海孤立(樁基承臺、墩)式碼頭得到廣泛采用，這類結(jié)構(gòu)的特點是埋入地基中的樁基頂部受到波浪力、冰壓力等較大的水平荷載作用[王浩芬，李久旺側(cè)向荷載樁的非線性分析.海洋工程，1989，7 (2):62-68];多高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力分析的簡化結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)計算方法——Pushover方法，該方法使用漸增的一定分布的側(cè)向荷載模擬在地震作用下結(jié)構(gòu)層慣性力的分布[朱慈勉，應(yīng)丹君.豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)Pushover分析的側(cè)向荷載分布模式研究.結(jié)構(gòu)工程師，2009，25 (2):29-34];抗側(cè)力試驗可以有效檢驗新型砌體結(jié)構(gòu)抗震能力[龔進，周魯敏.帶芯柱的新型砌體結(jié)構(gòu)抗震墻抗側(cè)力試驗研究.建筑技術(shù)，2010，41(5):446-450、龔進，周魯敏.設(shè)置構(gòu)造柱的新型砌體結(jié)構(gòu)抗震墻的抗側(cè)力試驗研究.工業(yè)建筑，2011，41 (4):30-33];超高建筑物的設(shè)計中還必須進行風(fēng)荷載分析等。
[0003]在土工離心模型中，側(cè)向荷載的施加需要專用的輔助裝置來完成，一個關(guān)鍵的技術(shù)難題是:側(cè)向荷載的方向與重力垂直，在離心機高重力場作用下，機構(gòu)將產(chǎn)生撓曲變形從而影響出力的效率，往往只能提供較小的荷載。
[0004]在過去的若干年里，許多學(xué)者對離心模型試驗中的動力加載裝置有了一定的研究。林小靜等[林小靜，張建紅，孫國亮，魯曉兵.吸力式基礎(chǔ)離心模型試驗的動力加載裝置.中國造船，2003，44 (S):400-404]研制了離心模型試驗中施加側(cè)向動荷載的裝置。Allersma [Allersma HGB, Kirstein A A and Brinkgreve RBJ.(1999):Centrifuge and numerical modeling of horizontally loaded suct1n piles.9th.1nt.0ffshore and Polar Engineering Conference.1S0PE99.1999.Vol.1.Pp.711?717]進行了吸力式基礎(chǔ)的水平靜承載力的離心模型試驗。Randolph [Randolph Μ.F.，O’Neill M.P., Stewart D.P., and Erbirch C.Performance of suct1n anchorsin fine-grained calcareous soil.Paper 0TC8831， Proc.0ffshore TechnologyConference, Houston, USA.1998]進行了重塑土中吸力式基礎(chǔ)水平動承載力試驗，土樣是取自澳大利亞和印尼之間Timor Sea海底的石灰質(zhì)?於泥。Craig [C raig W.H.(1981): Cyclic loading equipment for offshore foundat1n model.0ffshoreStructures: The Use of Physical Models in Their Design, eds.Armerj G.S.T.and Garasj F.K.Construct1n Press.NY.1981.327?334]、Hjortnaes-Pedersen 和Nelissen [Hjortnaes-Pedersen A.G.1.and Nelissen H.A.M.(1991): Applicat1nof hydraulic actuators in the Delft Geotechnics centrifuge.Centrifuge 91, HY Ko & F G.Mclean (eds), Balkema, Rotterdam,, 1991, 385—390]介紹了用于淺基礎(chǔ)的加載裝置，荷載頻率在10 Hz到30 Hz之間。Tan [Tan FSC.(1990): Centrifugeand theoretical modeling of conical footings on sand.Ph.D.Thesis, CambridgeUniversity, Jan, 1990]采用伺服閥和定時機構(gòu)控制的氣壓千斤頂施加水平荷載,最高頻率為 I Hz。Dean [Dean E.T.R., Hsu Y.S., and Schofield A.N.(1993): Developmentof an new apparatus for centrifuge testing of offshore jackup platform modelsand data report for centrifuge test YSHl: 3-leg jackup model with flat spudson dense watwe-saturated sand.Technical Report CUED/D_Soils/TR267.Universityof Cambridge, London.1993]利用電動伺服馬達驅(qū)動一個螺紋架前后移動施加水平動荷載，荷載頻率為 3 Hz。Ng [Ng T.G.，Lee F.H.，Liaw C.Y.，and Chan E.S.(1994):Development of a dynamic loading device for model foundat1n.Proc.0f Int.Conference Centrifuge 94, Singapore/31 Aug.-2 Sept., 1994, 183~188]研制了一個電液伺服控制加載系統(tǒng)，可以對淺基礎(chǔ)施加0.1 Hz-10 Hz的水平荷載。但以上研制的動力加載裝置均側(cè)重于對頻率的控制，出力峰值均不大，如林小靜等研制的裝置出力峰值為98N0
[0005]應(yīng)用于離心模型試驗的，能提供較大側(cè)向靜力荷載的裝置罕見報導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種離心模型試驗試驗側(cè)向靜力加荷裝置，旨在解決離心機高重力加速度場下的以下關(guān)鍵問題:1，現(xiàn)有技術(shù)只能模擬側(cè)向動態(tài)力；2，現(xiàn)有技術(shù)只能模擬小幅值的側(cè)向力；3，現(xiàn)有技術(shù)難以實現(xiàn)精確控制。本發(fā)明還將提供這種離心模型試驗側(cè)向靜力加荷裝置的測試方法。
[0007]完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是:離心模型試驗側(cè)向靜力加荷裝置，由永磁低速同步電機、齒輪箱、蝸輪蝸桿和荷重傳感器組成，所述永磁低速同步電機立式設(shè)置在齒輪箱上，永磁低速同步電機的輸出，經(jīng)齒輪箱內(nèi)的齒輪減速后平行輸出至蝸桿，渦輪軸水平設(shè)置，渦輪軸末端設(shè)有水平方向的荷重傳感器。
[0008]上述技術(shù)方案中，永磁低速同