一种减少海洋工程钢管桩基础振动的装置的制作方法

本发明涉及一种减少海洋工程钢管桩基础振动的装置，属于海洋工程钢管桩基础防护技术领域。

背景技术：

近年来随着对能源需求的增加，海洋工程建设规模日益增大。目前海洋工程构筑物常选择钢管桩作为基础。相比其他类型的桩基，钢管桩预制成型且海上施工设备相对成熟，能够有效节省复杂作业环境中的桩基施工成本、缩短工期。但是在钢管桩的实际使用过程存在一些值得工程设计人员关注的问题，例如流场中桩基涡激振动问题以及海水对桩身材质的腐蚀问题。

流场中桩基振动问题是一个经典的流固耦合问题。已有的研究发现对于流场中的圆柱，其后方会形成有序的涡旋释放，进而在柱体后方产生周期性的横向力。对于钢管桩，这种周期性荷载作用常导致桩基振动。对于桩基结构，长期剧烈的横向荷载会引发自身结构的损坏。此外，海洋工程结构多属高耸结构，过大的基础位移响应会影响上部结构的正常使用。

另外，对于海洋工程中的钢结构，海水腐蚀是另一个无法避免的问题，特别是位于干湿交替区的桩段受其影响更为明显。在工程使用期间，需积极的采用各种防腐蚀手段进行应对，常用的方法有牺牲阳极、阴极保护等。其中阴极保护是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。因工程实践效果良好被广泛采用，但是需要外加电流，增加了能源消耗且部件安装相对复杂。

为了减少流场中钢管桩基础涡激振动、抑制海水对桩身的腐蚀作用，研发桩身涡激横向荷载消减以及节能的腐蚀保护装置显得至关重要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种减少流场中钢管桩基础涡激振动，减少作用在桩身的涡激横向荷载，使桩后涡旋无序排放，防振动的装置；

进一步地，本发明提供一种对钢管桩基础具有海水腐蚀防护功能的减少海洋工程钢管桩基础振动的装置；

更进一步地，本发明提供一种利用波浪转换成电能，为海水腐蚀防护和钢管桩减振提供所需电能的减少海洋工程钢管桩基础振动的装置；

更进一步地，本发明提供一种下部结构的前部方向可根据水流方向进行自行调节，对环境水流方向改变的适用性好，高效避免桩后形成周期性的涡激横向荷载的减少海洋工程钢管桩基础振动的装置；

更进一步地，本发明提供一种使用姿态可变换，即可用于高效地将波浪能转换电能，又可高效地用于钢管桩减振的减少海洋工程钢管桩基础振动的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种减少海洋工程钢管桩基础振动的装置，包括固定式外套于钢管桩水面以上部位的上部结构和活动式外套于钢管桩水面以下近水面处的下部结构；

所述下部结构包括前部呈尖角状中后部为矩形的下底板，所述下底板的内部设置有用于穿过所述钢管桩的孔洞，所述孔洞上竖直固定有圆筒状的下内围板，所述下内围板的外圆周均布若干竖撑杆，所述竖撑杆底端与所述下底板上表面相连，所述竖撑杆顶端穿出所述上部结构；前侧板和侧板分别通过前液压撑与侧液压撑与所述下底板的前部和中部活动相连，用于包围所述下底板后部的后侧板的后方固定有转动机舱，所述转动机舱内部安装有转动机，转动机用于实现紊流带的收放。

所述紊流带底部设置有导线，所述竖撑杆为中空管，所述中空管供所述前液压撑的油管、侧液压撑的油管、转动机的线缆以及所述导线通过；导线与蓄能装置相连。

所述紊流带内部间隔设置有若干竖向增强筋。

所述上部结构包括固定套于所述钢管桩上的呈环形的上底板，所述上底板留有供竖撑杆通过的孔洞，所述上底板的外环上竖直固定有圆筒状的上外围板，所述上底板的内环上竖直固定有圆筒状的上内围板，所述上外围板内侧以及上内围板外侧分别固定外磁铁与内磁铁，所述竖撑杆上水平连接的线圈杆位于所述外磁铁与内磁铁之间，所述线圈杆的线缆通过总管道与所述蓄能装置相连，所述上内围板和上外围板的顶端活动设置有盖板，所述竖撑杆的顶端穿出所述盖板上的竖撑杆孔并可在所述竖撑杆孔内上下向运动；所述盖板与所述竖撑杆之间连接有可拆卸式锁紧装置；所述盖板上设置有若干调整环所述前液压撑和侧液压撑的油管通过所述总管道连接液压泵，所述转动机的线缆通过所述总管道连接所述蓄能装置。

所述总管道是一根空心管，将油管（即前液压撑和侧液压撑的油管）、线缆（即转动机的线缆和线圈杆的线缆）、导线（即紊流带底部的导线）先收纳到其内部，然后再从总管道端部各自分散引至设备。

所述下底板摆放于下挡撑上；所述下挡撑为环形，固定于所述钢管桩的外壁上。

所述上底板通过上挡撑螺栓连接于上挡撑上，所述上挡撑高出水面并固定于所述钢管桩的外壁上。

所述上挡撑不遮挡上底板上的供竖撑杆自由通过的孔洞。

所述外磁铁与内磁铁呈圆弧形沿圆周分块布置且异极相对。

所述竖撑杆、线圈杆、外磁铁与内磁铁的个数相同，均包括4个，所述线圈杆、外磁铁与内磁铁均为1/4圆环状，所述线圈杆两端连于相邻两所述竖撑杆上。

所述盖板的外径较所述上外围板的内径小1~3cm，且所述盖板通过盖板螺栓与所述上外围板连接。

当装置用于波浪能转换电能时，前液压撑与侧液压撑伸出使前侧板、侧板呈水平摆放状态，当装置用于钢管桩减振时，前液压撑与侧液压撑收缩使前侧板、侧板呈竖直摆放状态；所述前侧板和侧板的个数均为2个，所述前液压撑与侧液压撑的个数也均为2个。

本发明的有益效果在于：

1. 本发明的下部结构设置了紊流带以及转动机舱。紊流带可以有效的打乱桩后涡旋的释放，避免形成周期性的涡激横向荷载，且紊流带内部的竖向增强筋能增强其竖向摆动形态的维持，紊流带内部的导线形成防腐措施中的阳极。转动机舱内的转动机可以实现紊流带的收回与放出，避免在下部结构转向过程中紊流带缠绕。

2. 本发明相比普通阴极保护装置具有不需外部能源的优点。通过调节前侧板和侧板至水平摆放形态，加大本发明下部结构与波浪接触面积，实现下部结构带动线圈杆随波浪上下切割磁感应线，进而将波浪能转换成供阴极保护所需的电能，达到绿色节能效果。

3. 本发明在桩基外围通过对称设置前侧板形成迎流角结构，相比普通桩基的圆形截面，该结构能够有效减少桩基迎流面积，从而减少作用在桩身上水流力，有助于减少桩后涡旋的生成。本发明的前侧板布置在接近水面的水质点流速较大处，该设置位置的选择能够最大的发挥前侧板的功能。

4. 本发明下部结构迎流方向可以根据水流方向自行调节，也可以通过盖板连接竖撑杆进行人工调节。相比固定式的减少水流力的结构，该结构对环境水流方向改变的适用性更好，提高了本装置的使用效率和范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A向的剖视图；

图3为图1的B-B向的断面图；

图4为图1的C-C向的剖视图；

图中：1-液压泵；2-钢管桩；3-蓄能装置；4-总管道；5-竖撑杆；6-盖板；7-调整环；8-盖板螺栓；9-上外围板；10-上内围板；11-外磁铁；12-内磁铁；13-上底板；14-上挡撑；15-上挡撑螺栓；16-线圈杆；17前侧板；18-下内围板；19-转动机舱；20-前液压撑；21-下底板；22-下挡撑；23-导线；24-紊流带；25-侧液压撑；26-侧板；27-后侧板；28-转动机；29-增强筋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1~图4所示，一种减少海洋工程钢管桩基础振动的装置，本发明的装置套于钢管桩2外壁使用，可分位于水面以上的上部结构和水面以下近水面处的下部结构这两部分主要结构。

在水下数米处的钢管桩2外壁固定环形的下挡撑22，下挡撑22上面摆放前部呈尖角状中后部为矩形的下底板21，下底板21与桶形内围板18以及矩形的前侧板17、侧板26、后侧板27竖直相连，其中前侧板17、侧板26分别通过前液压撑20与侧液压撑25与下底板21相连，并且可以实现前侧板17、侧板26的水平展开。转动机舱19固定于后侧板27外侧，转动机28位于转动机舱19内且能实现紊流带24的收放，紊流带24底部安装有导线23以及竖向设置增强筋29。内部设置孔道的竖撑杆5固定于下内围板18外侧的下底板21上，沿圆周分布4根。前液压撑20、侧液压撑25的油管通过竖撑杆5的内部孔道，再经总管道4内部与液压泵1连接，转动机28的线缆通过竖撑杆5的内部孔道，再经总管道4内部与蓄能装置3连接。

转动机28转动所需的电能由蓄能装置3提供，紊流带24设置于钢管桩2背流侧，通过在水流作用时的不规则摆动抑制涡旋的规则排放，紊流带24内部等间隔分布竖向增强筋29以保证其姿态竖直。紊流带24底部设置有导线23，导线23与蓄能装置3相连形成阴极保护所需的阳极端。

上挡撑14位于波浪未接触处的钢管桩2外壁并且通过上挡撑螺栓15与上底板13连接。上底板13与上挡撑14均为环形且内部均开有供钢管桩2穿出的孔洞，上底板13还开有供竖撑杆5穿出的孔洞。上底板13外侧固定有上外围板9且在内侧固定有上内围板10，上外围板9与上内围板10均为桶形且固定后边缘与上底板13的边缘平齐。上外围板9内侧以及上内围板10外侧分别固定外磁铁11与内磁铁12，外磁铁11与内磁铁12呈1/4圆弧状沿圆周分块布置且异极相对。线圈杆16呈1/4圆弧状水平固定于竖撑杆5，线圈杆16生成的电流经线缆存储在蓄能装置3内部，线圈杆16的线缆通过总管道4与蓄能装置3相连。竖撑杆5顶部穿出盖板6，盖板6设置有供竖撑杆5以及钢管桩2穿出的孔洞，盖板6外径较上外围板9内径小2cm且通过盖板螺栓8与上外围板9连接，盖板6顶部设置有沿圆周均匀分布的调整环7，盖板6与竖撑杆5之间连接有可拆卸式锁紧装置。

外磁铁11、内磁铁12沿圆周4等分，同一扇区的内、外磁铁磁极异极相对。内、外磁铁中间设置线圈杆16，线圈杆16为4个1/4圆弧形成的环形且在内部沿轴向排列多列金属导线，金属导线的空间分布与内、外磁铁形成的磁感应线基本垂直。线圈杆16两端连接于竖撑杆5，通过波浪带动竖撑杆5上下运动从而在线圈杆16内部生成电流。

具体使用工况分桩基减振防腐以及波浪能转换两种工况。减振防腐工况时，先解除上挡撑螺栓15，并通过锁紧装置和调整环7调整盖板6转向令前侧板17形成的尖角正对来流方向，再使用上挡撑螺栓15将上外围板9固定于上挡撑14，打开转动机28放出紊流带24，使用蓄能装置3为导线23供电形成阳极，从而实现减振及防腐的功能。当需要波浪能转换至电能存储于蓄能装置3时，打开转动机28收回紊流带24，打开前液压撑20、侧液压撑25展开前侧板17、侧板26至水平状态，拆卸锁紧装置以及解除上挡撑螺栓15，即可实现最佳捕获波浪能充能效果。

本实施例在桩基外围设置形成迎流角结构以减少桩基迎流面积，且在桩后安装紊流带24打乱桩后涡旋释放，进而减少了作用在桩身的横向振动荷载，抑制桩身振动；通过调节前侧板17、侧板26姿态增大下部结构与波浪作用面积，充分获取用于转换成电能的波浪能，得到电能可用于转动机运转及钢管桩防腐保护。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。