桩顶模拟动载装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及桩体动载模拟，特别是一种桩顶模拟动载装置及方法。包括机箱外壳、圆盘式加载机构、齿轮组传力机构和外支承机构，圆盘式加载机构和齿轮组传力机构设置在机箱外壳内，机箱外壳放置在桩体的顶部；圆盘式加载机构可通过其内部质量块实现荷载变级，可通过电磁铁变更磁极，与永磁铁之间产生吸引力和排斥力，进而上半圆加载过程以改变半径的方式，消除拔桩力，同时下半圆加载过程以改变半径的方式提供向下的加载力，因此该装置实现了桩顶加载过程中，不产生上拔力，只有竖直向下的加载力。通过改变质量块大小，变频电机频率，模拟不同加载力、不同加载频率，模拟桩体在实际荷载中的情形。

Dynamic load simulation device and method of pile top

【技术实现步骤摘要】
桩顶模拟动载装置及方法
本专利技术涉及桩体动载模拟，特别是一种桩顶模拟动载装置及方法。
技术介绍
高速公路技术的快速发展，其应用面已经涉及到近海或者滨海地区，其公路地基基础常见土层为淤泥质土，只通过换填土难以保证地基承载力，所以必须在这些地区内设置桩基，才能满足正常使用的承载力要求。而桩体的承载力直接影响着整个地基基础的承载能力。所以，对单根桩体进行预设荷载下的动力特性监测、分析，最后预估分析得到桩体的寿命状况是必要的。现有的桩顶竖向加载装置在实现加载时，容易产生上拔力，这对于桩体，会产生拉应力作用，对于受压桩更可能是产生较大的损伤。另外，现有的桩顶竖向加载装置，设备整体笨重，且经济性较差。针对室内模型试验和现场试验的现状，急需开发一套便于拆装、移动，可变频变级施加荷载的试验设备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种桩顶模拟动载装置及方法，通过改变质量块大小，变频电机频率，模拟不同加载力、不同加载频率，模拟桩体在实际荷载中的情形。本专利技术的技术方案是：一种桩顶模拟动载装置，其中，包括机箱外壳、圆盘式加载机构、齿轮组传力机构和外支承机构，圆盘式加载机构和齿轮组传力机构设置在机箱外壳内，机箱外壳放置在桩体的顶部；所述齿轮组传力机构包括传动齿轮Ⅰ、传动齿轮Ⅱ和主齿轮，主齿轮通过主齿轮三角支撑架与机箱外壳连接，主齿轮的中心固定有电机连接轴杆，电机连接轴杆与变频电机的输出轴连接，主齿轮与传动齿轮Ⅰ啮合传动，传动齿轮Ⅰ与传动齿轮Ⅱ啮合传动，传动齿轮Ⅰ与传动齿轮Ⅱ的转动方向相反，传动齿轮Ⅰ与传动齿轮Ⅱ的中部均固定有传动主轴，传动主轴的端部分别设有圆盘式加载机构，位于同一侧的圆盘式加载机构的转动方向相反；所述圆盘式加载机构包括质量块滑动轴、圆盘外壳、传动主轴节点、大质量块和小质量块，质量块滑动轴设置在圆盘外壳内，质量块滑动轴的两端分别通过垫片与圆盘外壳的内壁固定连接，质量块滑动的中部固定有传动主轴节点，传动主轴节点与传动主轴的端部固定连接，大质量块和小质量块设置在传动主轴节点的两侧，大质量块和小质量块滑动套在质量块滑动轴上，质量块滑动轴的外表面套有电磁铁线圈，大质量块和小质量块的内环为永磁铁，质量块滑动轴与大质量块和小质量块之间形成排斥力，大质量块与垫片之间、小质量块与垫片之间分别设有阻尼弹簧，大质量块与传动主轴节点之间、小质量块与传动主轴节点之间分别设有电磁铁和阻尼块，电磁铁朝向质量块方向，电磁铁和阻尼块固定套在质量块滑动轴上，电磁铁和阻尼块固定连接，传动主轴节点两侧的电磁铁和阻尼块之间呈对称设置。本专利技术中，所述传动齿轮Ⅰ与传动齿轮Ⅱ均通过传动齿轮三角支撑架与机箱外壳连接，传动齿轮三角支撑架包括三角形架体Ⅱ和调心轴承Ⅱ，三角形架体Ⅱ的一端通过焊接垫板Ⅰ与机箱外壳的竖向侧壁固定连接，三角形架体Ⅱ的另一端通过焊接垫板Ⅳ与机箱外壳的水平底部固定连接，三角形架体Ⅱ的折点处设有调心轴承Ⅱ，调心轴承Ⅱ与三角形架体Ⅱ固定连接，调心轴承Ⅱ的中心设有传动主轴。所述主齿轮通过主齿轮三角支撑架与机箱外壳连接，主齿轮三角支撑架包括三角形架体Ⅰ和调心轴承Ⅰ，三角形架体Ⅰ的一端通过焊接垫板Ⅱ与机箱外壳1的竖向侧壁固定连接，三角形架体Ⅰ的另一端通过焊接垫板Ⅲ与机箱外壳的水平底部固定连接，三角形架体Ⅰ的折点处设有调心轴承Ⅰ，调心轴承Ⅰ与三角形架体Ⅰ固定连接，调心轴承Ⅰ的中心设有电机连接轴杆。所述传动齿轮Ⅰ和传动齿轮Ⅱ分别设置两个，主齿轮同时与两个传动齿轮Ⅰ啮合传动，两传动齿轮Ⅰ分别与两传动齿轮Ⅱ啮合传动，两传动齿轮Ⅰ固定在同一传动主轴上，两传动齿轮Ⅱ固定在同一传动主轴上。还包括外支承机构，外支承机构包括四角支撑架和球铰支撑杆，机箱外壳的四面外侧分别设有四角支撑架，四角支撑架的底部通过四角支撑架稳定板与地面连接，四角支撑架的顶部通过球铰与球铰支撑杆的一端连接，球铰支撑杆的另一端与机箱外壳铰接。所述四角支撑架和球铰支撑杆为可伸缩式结构，球铰支撑杆包括外管和内管，内管设置在外管内，内管在外管内滑动，外管和内管上均设有螺栓孔，将螺栓插在螺栓孔内，使外管和内管固定连接。四角支撑架的结构与球铰支撑杆的结构相同，此处不再赘述。还包括智能数据采集输出系统，包括主采集仪、副采集仪和压力传感器，主采集仪和副采集仪设置在机箱外壳的底部内侧，压力传感器设置在机箱外壳的底部外侧，且位于机箱外壳与桩体的顶部之间。所述大质量块和小质量块均由两个相同的半圆形质量块通过卡扣的方式固定连接而成。本专利技术还包括一种利用上述桩顶模拟动载装置实现模拟加载的方法，包括以下步骤：上半圆加载过程中，大质量块一侧的电磁铁吸引大质量块，大质量块的加载半径为r，小质量块一侧的大质量块排斥小质量块，在阻尼弹簧的阻碍作用下，小质量块的加载半径为2r，大质量块的质量为M，小质量块的质量为m，M＝2m，此时位于同侧的两圆盘式加载机构的受力情况为式中FM为大质量块加载力，Fm为小质量块加载力，FD为实际的加载力；FM与Fm大小相等、方向相反，FD为零，此时桩顶加载力为零；下半圆加载过程中，当大质量块由上半圆加载阶段结束到中轴线，电磁铁极性改变，大质量块一侧的电磁铁排斥大质量块，大质量块的加载半径为2r，小质量一侧的电磁铁吸引小质量块，小质量块的加载半径为r，此时位于同侧的两圆盘式加载机构的受力情况为：式中FM为大质量块加载力，Fm为小质量块加载力，FD为实际的加载力；FD大于零，此时桩顶受到竖直向下的力。当大质量块由下半圆加载阶段结束再次运动至中轴线时，重复上述受力循环过程。本专利技术的有益效果是：(1)圆盘式加载机构可通过其内部质量块实现荷载变级，可通过电磁铁变更磁极，与永磁铁之间产生吸引力和排斥力，进而上半圆加载过程以改变半径的方式，消除拔桩力，同时下半圆加载过程以改变半径的方式提供向下的加载力，因此该装置实现了桩顶加载过程中，不产生上拔力，只有竖直向下的加载力。(2)拆装方面，整体重量较轻，且经济、便于加工。(3)采用磁悬浮原理、离心原理，借助变频电机，齿轮组，可以实现桩顶多级变频加载，其模拟荷载接近实际工况。(4)装置可以实时采集、输出数据，可以实现远程智能监测、分析数据。附图说明图1是本专利技术主视结构示意图；图2是本专利技术右视结构示意图；图3是本专利技术立体结构示意图；图4是本专利技术俯视结构示意图；图5是圆盘式加载机构的结构示意图；图6是质量块滑动轴的剖视图；图7是齿轮组系统的结构示意图；图8是四角支撑架与球铰支撑杆的连接结构示意图；图9是主齿轮三角支撑架的结构示意图；图10是传动齿轮三角支撑架的结构示意图；图11是压力传感器的布设结构示意图；图12是上半圆加载阶段的工作原理图；图13是下半圆加载阶段的工作原理图。图中：1机箱外壳；2圆盘式加载机构；201圆盘外壳；202电磁铁；203阻尼块；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桩顶模拟动载装置，其特征在于：包括机箱外壳(1)、圆盘式加载机构(2)、齿轮组传力机构(10)和外支承机构，圆盘式加载机构(2)和齿轮组传力机构(10)设置在机箱外壳(1)内，机箱外壳(1)放置在桩体(6)的顶部；/n所述齿轮组传力机构(10)包括传动齿轮Ⅰ(1001)、传动齿轮Ⅱ(1002)和主齿轮(1003)，主齿轮(1003)通过主齿轮三角支撑架(5)与机箱外壳(1)连接，主齿轮(1003)的中心固定有电机连接轴杆(501)，电机连接轴杆(501)与变频电机的输出轴连接，主齿轮(1003)与传动齿轮Ⅰ(1001)啮合传动，传动齿轮Ⅰ(1001)与传动齿轮Ⅱ(1002)啮合传动，传动齿轮Ⅰ(1001)与传动齿轮Ⅱ(1002)的转动方向相反，传动齿轮Ⅰ(1001)与传动齿轮Ⅱ(1002)的中部均固定有传动主轴(14)，传动主轴(14)的端部分别设有圆盘式加载机构(2)，位于同一侧的圆盘式加载机构(2)的转动方向相反；/n所述圆盘式加载机构(2)包括质量块滑动轴(206)、圆盘外壳(201)、传动主轴节点(209)、大质量块(204)和小质量块(208)，质量块滑动轴(206)设置在圆盘外壳(201)内，质量块滑动轴(206)的两端分别通过垫片(207)与圆盘外壳(201)的内壁固定连接，质量块滑动(206)的中部固定有传动主轴节点(209)，传动主轴节点(209)与传动主轴(14)的端部固定连接，大质量块(204)和小质量块(208)设置在传动主轴节点(209)的两侧，大质量块(204)和小质量块(208)滑动套在质量块滑动轴(206)上，质量块滑动轴(206)的外表面套有电磁铁线圈(210)，大质量块(204)和小质量块(208)的内环为永磁铁，质量块滑动轴(206)与大质量块和小质量块之间形成排斥力，大质量块(204)与垫片(207)之间、小质量块(208)与垫片(207)之间均设有阻尼弹簧(205)，大质量块(204)与传动主轴节点(209)之间、小质量块(208)与传动主轴节点(209)之间分别设有电磁铁(202)和阻尼块(203)，电磁铁(202)朝向质量块方向，电磁铁(202)和阻尼块(203)固定套在质量块滑动轴(206)上，电磁铁(202)和阻尼块(203)固定连接，传动主轴节点(209)两侧的电磁铁(202)和阻尼块(203)之间呈对称设置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种桩顶模拟动载装置，其特征在于：包括机箱外壳(1)、圆盘式加载机构(2)、齿轮组传力机构(10)和外支承机构，圆盘式加载机构(2)和齿轮组传力机构(10)设置在机箱外壳(1)内，机箱外壳(1)放置在桩体(6)的顶部；
所述齿轮组传力机构(10)包括传动齿轮Ⅰ(1001)、传动齿轮Ⅱ(1002)和主齿轮(1003)，主齿轮(1003)通过主齿轮三角支撑架(5)与机箱外壳(1)连接，主齿轮(1003)的中心固定有电机连接轴杆(501)，电机连接轴杆(501)与变频电机的输出轴连接，主齿轮(1003)与传动齿轮Ⅰ(1001)啮合传动，传动齿轮Ⅰ(1001)与传动齿轮Ⅱ(1002)啮合传动，传动齿轮Ⅰ(1001)与传动齿轮Ⅱ(1002)的转动方向相反，传动齿轮Ⅰ(1001)与传动齿轮Ⅱ(1002)的中部均固定有传动主轴(14)，传动主轴(14)的端部分别设有圆盘式加载机构(2)，位于同一侧的圆盘式加载机构(2)的转动方向相反；
所述圆盘式加载机构(2)包括质量块滑动轴(206)、圆盘外壳(201)、传动主轴节点(209)、大质量块(204)和小质量块(208)，质量块滑动轴(206)设置在圆盘外壳(201)内，质量块滑动轴(206)的两端分别通过垫片(207)与圆盘外壳(201)的内壁固定连接，质量块滑动(206)的中部固定有传动主轴节点(209)，传动主轴节点(209)与传动主轴(14)的端部固定连接，大质量块(204)和小质量块(208)设置在传动主轴节点(209)的两侧，大质量块(204)和小质量块(208)滑动套在质量块滑动轴(206)上，质量块滑动轴(206)的外表面套有电磁铁线圈(210)，大质量块(204)和小质量块(208)的内环为永磁铁，质量块滑动轴(206)与大质量块和小质量块之间形成排斥力，大质量块(204)与垫片(207)之间、小质量块(208)与垫片(207)之间均设有阻尼弹簧(205)，大质量块(204)与传动主轴节点(209)之间、小质量块(208)与传动主轴节点(209)之间分别设有电磁铁(202)和阻尼块(203)，电磁铁(202)朝向质量块方向，电磁铁(202)和阻尼块(203)固定套在质量块滑动轴(206)上，电磁铁(202)和阻尼块(203)固定连接，传动主轴节点(209)两侧的电磁铁(202)和阻尼块(203)之间呈对称设置。


2.根据权利要求1所述的桩顶模拟动载装置，其特征在于：所述传动齿轮Ⅰ(1001)与传动齿轮Ⅱ(1002)均通过传动齿轮三角支撑架(9)与机箱外壳(1)连接，传动齿轮三角支撑架(9)包括三角形架体Ⅱ和调心轴承Ⅱ(901)，三角形架体Ⅱ的一端通过焊接垫板Ⅰ(3)与机箱外壳(1)的竖向侧壁固定连接，三角形架体Ⅱ的另一端通过焊接垫板Ⅳ(13)与机箱外壳(1)的水平底部固定连接，三角形架体Ⅱ的折点处设有调心轴承Ⅱ(901)，调心轴承Ⅱ(901)与三角形架体Ⅱ固定连接，调心轴承Ⅱ(901)的中心设有传动主轴(14)。


3.根据权利要求1所述的桩顶模拟动载装置，其特征在于：所述主齿轮(1003)通过主齿轮三角支撑架(5)与机箱外壳(1)连接，主齿轮三角支撑架(5)包括三角形架体Ⅰ和调心轴承Ⅰ(503)，三角形架体Ⅰ的一端通过焊接垫板Ⅱ(4)与机箱外壳(1)的竖向侧壁固定连接，三角形架体Ⅰ的另一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊伟，万志朋，孟鋆，代邢可，朱娜，凌贤长，郑东生，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37