一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法，包括桶形基础、风机塔架、质量块、延伸推力杆、低频电磁激振器、激振器固定架、力传感器、法兰连接盘、土压力传感器、孔隙水压力传感器、加速度传感器、应变片、耗能材料、排水管、试验铁箱、角钢肋条、钢板加劲肋、加载架、功率放大器、扫频信号发生器、动态采集仪、计算机。该装置由荷载加载部分和桶形基础部分组成，以实现竖向动刚度和竖向动阻尼的测量。利用低频激振器进行加载，通过测量土体的作用力与位移算得桶基的动刚度。通过在质量块处施加竖向初始位移，测量衰减曲线求得桶基的动阻尼。本发明专利技术可以准确地研究桶基的竖向初始动阻抗及其影响因素，为进一步研究打下基础。

A barrel based vertical initial dynamic impedance test device and test method

The invention discloses a bucket of vertical dynamic impedance of the initial test device and test method, including bucket foundation, wind turbine tower, mass, extension of the thrust rod, low frequency electromagnetic vibrator, vibrator fixed frame, force sensor, flange plate, pressure sensor, pore water pressure sensor, acceleration sensor and strain gauges, energy materials, drainage pipe, test box, steel plate, iron rib stiffener, loading frame, power amplifier, frequency sweep signal generator, dynamic acquisition instrument and computer. The device is composed of a load loaded part and a bucket shaped foundation, in order to measure the vertical dynamic stiffness and the vertical dynamic damping. The dynamic stiffness of the bucket foundation is calculated by measuring the force and displacement of the soil by means of the low frequency exciter. The dynamic damping of bucket foundation is obtained by measuring the attenuation curve by applying the vertical initial displacement at the mass block. The invention can accurately study the vertical initial dynamic impedance of a bucket foundation and the influencing factors thereof, thereby laying the foundation for further research.

【技术实现步骤摘要】
一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法
本专利技术属于本专利技术属于海上风机发电
，尤其涉及一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法。
技术介绍
随着煤炭、石油等不可再生能源日渐减少，以及化石能源使用所带来的环境问题日益突出，很多国家开始积极探索和开发可再生能源。作为可再生能源的代表，海上风能因其具有节约土地资源、风能平稳、无噪音、无污染等特点成为了新能源开发的的研究重点。海上风机的超大直径薄壁桶基一般指的是直径远大于常见桩基础及吸力锚基础，直径达数十米（最大已经达到30m），且桶基壁厚的厚径比远小于0.1的桶形基础。如2002年丹麦的Frederikshavn风电场中，首次使用了直径12m，厚径比0.002的超大直径薄壁桶形基础。特别是随着海上风电开发所遇水深的不断增大，从海上石油平台导管架结构演变而来的，适应水深范围更广、承载力更大的三脚架及四脚导管架基础也不断被应用到风机的基础中，吸力桶基础作为这些“多足”支撑结构的每个“脚”形成多桶基础，通过反向的竖向反力抵抗倾覆弯矩。对于深海浮式风机和多桶基础的风机，风机在实际运行时，上部结构受到风、浪、流、地震波等侧向荷载的作用，最终外部荷载以竖向循环荷载的形式传递到桶基上，这些环境荷载的频率和风机自振频率很接近，容易导致风机发生共振破坏。除此之外，最易引起风机结构共振的荷载产生于风机叶片的转动，转动会产生两种频率的荷载：①偏心荷载，由于涡轮机和叶片的质心往往与转轴有一定的偏移（叶片变形也会产生质心偏移），风轮转动会产生偏心力，其频率与转动频率相等，称1P频率；②在叶片转动过程中，由于叶面重力引起的载荷，随风轮转动循环施加。该荷载的频率为叶片数乘上风轮的转动频率，一般的三叶片风机的穿越频率称为3P频率。为了避免发生共振，工程设计中需要让风机结构整体的第一阶自振频率避开1P频率、3P频率和外部环境荷载的频率。同时为了保证安全，DNV（DNV-DETNORSKEVERITAS，挪威船级社）规范要求在1P和3P频带上预留10%的安全度。这样可供风机安全运行的频率段实际上极为狭窄。因此风机在正常运行期间自振特性的精确研究是保障风机在正常使用期间安全运行的关键，甚至被有些学者称为最关键的部分。根据高等结构动力学中多自由度线性系统振动方程，结构的振动特征取决于作用在结构上的外力、结构的质量、刚度和阻尼。特别是在计算深海浮式风机和近海多桶基础的海上风机自振特性时，桶基受到的主要是竖向荷载，基础的竖向动阻抗对自振特性有着至关重要的影响。目前在风机设计时，正常运行状态下桶基的竖向动阻抗还无规可依，一般用的是通过试验得到竖向静刚度，或者采用API（AmericanPetroleumInstitute美国石油协会）及DNV规范推荐的T-Z曲线进行近似计算。由于静刚度是在静荷载作用下得到的，而T-Z曲线则是通过细长桩基静力极限承载力试验得到的，因此通过这样计算得到的结果显然不精确。同时随着风机正常运行，外部荷载的循环施加，桶基的动阻抗会出现变化，风机的自振频率也发生变化。有学者研究了循环荷载下桶形基础风机的自振频率和系统阻尼的变化规律，但是为能准确得到桶基动阻抗，仍需要深入研究桶基动阻抗的产生机理及影响因素。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法。通过该试验装置和试验方法，可以准确地研究桶基的竖向初始动阻抗及其影响因素。该装置利用加载架上的低频电磁激振器对桶基（即桶形基础）进行精确的低频、低荷载的加载，通过压力传感器和应变片精确算得桶基与土体的作用力，通过加速度传感器算得土体的位移，最后计算得到土体的动刚度。撤掉加载架，在桶形基础部分，在顶部质量块施加一个竖向的初始位移或初始加速度，通过加速度传感器测得自由振动的衰减曲线，计算求得桶基的动阻尼。通过土压力传感器和孔隙水压传感器，研究土压力和孔隙水压力对初始动阻抗的影响本专利技术采用的技术方案如下，一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，包括试验铁箱和桶形基础；所述桶形基础的底部贯入试验铁箱内砂土正中央；风机塔架通过法兰连接盘固定于桶形基础上方，质量块固定在风塔机架的上方；低频电磁激振器固定在激振器架上，激振器架固定在加载架上，加载架嵌套在试验铁箱侧壁上端；低频电磁激振器的下端连接着延伸推力杆，力传感器固定在延伸推力杆和质量块之间；在桶形基础的桶壁外侧贴有应变片，土压力传感器布置在桶形基础底部与土体的接触面上，在桶形基础下方的桶形基础的中轴线上、桶形基础的桶壁两侧以及桶形基础外侧壁周围均布置有孔隙水压力传感器；加速度传感器固定在桶形基础的顶盖上，加速度传感器对称的固定在桶形基础的顶盖的两侧，可以精确的得到桶基的竖向位移。低频电磁激振器和功率放大器连接，功率放大器和扫频信号发生器连接；应变片、土压力传感器、孔隙水压力传感器、加速度传感器和力传感器均通过数据线和动态采集仪连接，动态采集仪和计算机连接。在试验铁箱的内壁上固定有一层耗能材料，能很好吸收循环荷载作用时，土体产生的应力波和土体-海水界面产生的界面波，使试验结果更加精确。排水装置固定在试验铁箱底部的耗能材料上，排水装置为若干根排水管，并在排水管周边布置碎石和土工布，组成排水系统，往试验箱内加水和排水，使土体更容易固结、饱和。从底部排水管从试验铁箱的四角延伸到试验铁箱外部，所述耗能材料为多孔泡沫。为了提高试验的精度与装置的稳定性，低频电磁激振器、质量块、风机塔架以及桶形基础的中轴线重合。试验铁箱通过钢板焊接而成，并进过防锈处理，不易腐蚀，且铁箱外表面沿着铁箱长度方向焊有角钢肋条，提高了试验铁箱的承载力。同时加载架两侧还布置有钢板加劲肋，能防止加载架出现倾覆。基于前述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置的试验方法，包括桶基竖向动刚度试验和桶基竖向动阻尼试验；首先进行桶基竖向动刚度试验，包括如下步骤：在试验铁箱中先不加入海水；A1)在排水管周围垫上砾石，砾石顶部铺上一层土工织布，防止砂土从排水管流失；A2)待砂土固结后，在直径0.3m的桶形基础的顶盖处固定好加速度传感器，并将桶形基础贯入试验铁箱正中央砂土并安装到位，待土体完成超静孔压消散；A3)将加载架嵌套在试验铁箱上，然后利用激振器固定架把低频电磁激振器固定,调整加载架位置和低频电磁激振器的高度，使电磁激振器和桶形基础的中轴线重合，并在延伸推力杆和质量块间固定好力传感器；A4）通过低频电磁激振器在桶形基础顶部施加竖向循环激振力，待桶形基础响应稳定后记录桶形基础及周围土体的响应数据；A5)改变简谐荷载的频率,重复若干次步骤A4）若干次，并记录数据；A6）待无海水情况下步骤A1）-A5）的桶基竖向动刚度测试试验完成以后，在试验铁箱中加入海水以模拟海洋环境，静置一段时间至土体饱和，重复步骤A1）-A4），以获得有海情况下桶基竖向动刚度测试值；A7）将桶形基础上拔，使桶形基础的顶板与土体分离但桶形基础并不完全拔出，即桶壁仍然插在土体中，待土体固结一段时间直至上拔引起的土体扰动恢复及超孔压消散后，重复有海水状态下的步骤A4）-A5），测得桶形基础桶壁的竖向初始动刚度；A8）将桶形基础完全拔出后，将直径0.3m的桶形基础拆下换上直径为0.3m的圆盘基础，固结一定时间后，对圆盘基础施加竖向的简谐激振荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：包括试验铁箱（15）和桶形基础（1）；所述桶形基础（1）的底部插入试验铁箱（15）内砂土（16）正中央；风机塔架（2）通过法兰连接盘（8）固定于桶形基础（1）上方，质量块（3）固定在风塔机架（2）的上方；低频电磁激振器（5）固定在激振器架（6）上，激振器架（6）固定在加载架（20）上，加载架（20）嵌套在试验铁箱（15）侧壁上端；低频电磁激振器（5）的下端连接着延伸推力杆（4），力传感器（7）固定在延伸推力杆（4）和质量块（3）之间；在桶形基础（1）的桶壁外侧贴有应变片（12），土压力传感器（9）布置在桶形基础（1）底部与土体的接触面上，在桶形基础（1）下方的桶形基础（1）的中轴线上、桶形基础（1）的桶壁两侧以及桶形基础（1）外侧壁周围均布置有孔隙水压力传感器（10）；加速度传感器（11）固定在桶形基础（1）的顶盖上，低频电磁激振器（5）和功率放大器（21）连接，功率放大器（21）和扫频信号发生器（22）连接；应变片（12）、土压力传感器（9）、孔隙水压力传感器（10）、加速度传感器（11）和力传感器（7）均通过数据线和动态采集仪（23）连接，动态采集仪（23）和计算机（24）连接。...

【技术特征摘要】
1.一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：包括试验铁箱（15）和桶形基础（1）；所述桶形基础（1）的底部插入试验铁箱（15）内砂土（16）正中央；风机塔架（2）通过法兰连接盘（8）固定于桶形基础（1）上方，质量块（3）固定在风塔机架（2）的上方；低频电磁激振器（5）固定在激振器架（6）上，激振器架（6）固定在加载架（20）上，加载架（20）嵌套在试验铁箱（15）侧壁上端；低频电磁激振器（5）的下端连接着延伸推力杆（4），力传感器（7）固定在延伸推力杆（4）和质量块（3）之间；在桶形基础（1）的桶壁外侧贴有应变片（12），土压力传感器（9）布置在桶形基础（1）底部与土体的接触面上，在桶形基础（1）下方的桶形基础（1）的中轴线上、桶形基础（1）的桶壁两侧以及桶形基础（1）外侧壁周围均布置有孔隙水压力传感器（10）；加速度传感器（11）固定在桶形基础（1）的顶盖上，低频电磁激振器（5）和功率放大器（21）连接，功率放大器（21）和扫频信号发生器（22）连接；应变片（12）、土压力传感器（9）、孔隙水压力传感器（10）、加速度传感器（11）和力传感器（7）均通过数据线和动态采集仪（23）连接，动态采集仪（23）和计算机（24）连接。2.根据权利要求1所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：在试验铁箱（15）的底部还设有排水装置。3.根据权利要求1所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：低频电磁激振器（5）、质量块（3）、风机塔架（2）以及桶形基础（1）的中轴线重合。4.根据权利要求1所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：所述试验铁箱（15）的内壁固定有耗能材料（13）。5.根据权利要求2所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：所述排水装置包括若干根排水管（14），排水管（14）从试验铁箱（15）的四角延伸到试验铁箱（15）外部。6.根据权利要求4所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：所述耗能材料（13）为多孔泡沫。7.根据权利要求1所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：所述试验铁箱（15）通过钢板焊接而成，并进行防锈处理。8.根据权利要求1所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：所述加速度传感器（11）对称的固定在桶形基础（1）的顶盖的两侧。9.根据权利要求1所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，其特征在于：试验铁箱通过钢板焊接而成，并进过防锈处理，且铁箱外表面沿着铁箱长度方向焊有角钢肋条（18），同时加载架（20）两侧还布置有钢板加劲肋（19）。10.基于权利要求1-8所述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置的试验方法，其特征在于，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺瑞，林捷，郑金海，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32