可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种试验测量装置及方法，特别是涉及一种可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置及方法，属于试验测量技术领域。
【背景技术】
[0002]海上风机基础在侧向动荷载作用下的侧向动阻抗的定义为:作用在桶基顶部的侧向动荷载(水平力和弯矩)与桶基的侧向位移(水平位移和转角)的比值，其值为复数，实部表示动刚度，虚部表示动阻尼。桶基侧向动阻抗的值对海上风机的自振频率有着至关重要的影响，但目前的研究却极不成熟，目前一般仍采用由细长粧基静力极限承载力试验得到的p-y曲线进行近似计算，这样得到的结果仍是不精确的。
[0003]荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究团队进行现场测试，并于2014年指出“在过去的几年，通过对已安装的海上风机的现场测试发现，实测的风机自振频率普遍要远远高于按现有P-y曲线模型计算出来的设计值”，这说明按现有模型计算出的风机基础侧向初始动刚度偏小。
[0004]为了解决这个矛盾，荷兰的研究团队认为应该精确地考虑桶基和土体的动力相互作用过程，并已开始着手研究小应变下风机基础的侧向初始动阻抗。这个矛盾现象一方面说明现在海上风机设计时采用了远小于真实情况的基础阻抗值，整体偏于保守，保守的设计会增加海上风电的成本；另一方面，实测值与设计值的普遍偏差也会导致影响风机正常运行的安全隐患。因此，无论是从经济还是安全的角度来看，都急需更符合真实情况的考虑海水、海床与大直径薄壁桶基动力相互作用的理论，以便得出更精确的侧向动阻抗值。
[0005]桶形基础长期处在复杂的海洋环境下，遭受波浪、潮流、风等荷载的作用，这些因素的叠加往往导致桶形基础结构周围流场十分复杂，致使床面局部剪切力增强，引起基础周围床面的冲刷，而局部冲刷减小了桶形基础入土深度，不但降低了基础的承载力，还使结构的自身频率发生改变，对风电结构的动力响应特性和稳定性造成极为不利的影响。因此考虑冲刷、泥沙输运对桶基侧向动阻抗带来的影响尤为重要。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置及方法，特别适用于海上风机大直径薄壁桶基的侧向动阻抗试验研究。
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，可模拟桶形基础所处的复杂环境，并精确获得桶基侧向动阻抗与环境因素之间的相互作用，极具有产业上的利用价值。
[0008]本发明所要解决的另一技术问题是提供模拟环境可变、响应快速、测量精确、测量结果有效的可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置的试验方法，通过加载试验及数据采集和对比分析，可获得桶形基础在冲刷影响下或在泥沙输运与冲刷共同影响下的侧向动阻抗的变化规律。
[0009]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置，包括顶面开口中空的试验铁箱，盖于试验铁箱顶面的加载架，均内设于试验铁箱的桶形基础、风机塔架、质量块、低频电磁激振器和激振器固定架，以及数据采集系统。
[0010]其中，所述试验铁箱内填有用于模拟海床的试验土和用于模拟海水的试验水，所述桶形基础为底面开口的中空桶体，桶形基础的顶盖通过垂直相连于顶盖的风机塔架与质量块相连;所述桶形基础的开口底面朝向位于试验铁箱正中央的试验土并贯入试验土中，直至试验土填充满桶形基础的中空容腔;所述低频电磁激振器安装于激振器固定架、并分布于风机塔架的侧边，所述激振器固定架悬挂于加载架。
[0011]而且，所述数据采集系统包括依次相连的动态采集仪和计算机，均与动态采集仪相连的力传感器、加速度传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、激光位移传感器和应变片;所述力传感器设置在低频电磁激振器和风机塔架之间，用于测量低频激振器对风机塔架所施加的激振力大小;所述加速度传感器设置在质量块的顶端，用于测量桶形基础在荷载施加过程中加速度大小;所述土压力传感器设置在桶形基础顶盖底面与试验土的接触面上，用于测量桶形基础周围试验土的动力响应;所述孔隙水压力传感器设置在桶形基础的中空内腔中轴线上和桶壁内外两侧、以及靠近桶壁的试验土中，用于测量孔隙水压力的累积和消散情况;所述激光位移传感器设置在桶形基础的顶盖顶面上并分布于顶盖中轴线两侧，用于测量桶形基础的位移;所述应变片设置在桶形基础的中心轴面上的桶壁内外两侦U，用于测量桶形基础的桶壁应变。
[0012]本发明的试验测量装置进一步设置为:所述试验铁箱的箱壁内侧面和箱底内底面均设置有阻尼涂料层。
[0013]本发明的试验测量装置进一步设置为:所述试验铁箱的箱内设置有排水管，所述排水管靠近箱底内底面布设、并伸出试验铁箱的箱壁。
[0014]本发明的试验测量装置进一步设置为:所述试验铁箱通过钢板焊接而成，并做防锈处理。
[0015]本发明的试验测量装置进一步设置为:所述试验铁箱的箱壁外侧面沿着轴向长度方向设置有角钢肋条。
[0016]本发明的试验测量装置进一步设置为:所述桶形基础通过重力方式或抽真空形成负压方式贯入试验土中。
[0017]本发明的试验测量装置进一步设置为:所述激振器固定架包括依次相连的L形钢板和钢板固定架，所述低频电磁激振器安装于L形钢板上，所述钢板固定架悬挂于加载架。
[0018]本发明的试验测量装置进一步设置为:所述加载架为倒U型，包括横梁和分别垂直于横梁两端的竖梁;所述竖梁设置有钢板加劲肋。
[0019]本发明的试验测量装置进一步设置为:所述风机塔架通过法兰连接盘与桶形基础相连，所述风机塔架和质量块通过定位螺丝固定相连。
[0020]本发明还提供可考虑冲刷影响的桶基侧向动阻抗试验测量装置的试验方法，包括以下步骤:
I)在试验铁箱中桶形基础的顶盖周围模拟出冲刷坑，静置等待，直至引起的试验土扰动消失；
2)启动低频电磁激振器对桶形基础进行不同频率、不同幅值的水平荷载加载，通过土压力传感器、孔隙水压力传感器和应变片计算得桶形基础与试验土的作用力，通过激光位移传感器计算得桶形基础的位移，最后计算得桶形基础的动刚度；
3)在质量块上施加一个侧向的初始位移或初始加速度，让桶形基础自由振动，通过加速度传感器测得自由振动的衰减曲线，计算得桶形基础的动阻尼；
4)通过土压力传感器和孔隙水压力传感器的数据采集，研究土压力和孔隙水压力对桶形基础侧向动阻抗的影响；
5)通过在桶形基础的顶盖周围模拟不同形态、不同大小、不同深度的冲刷坑，进行加载试验后通过数据采集和对比分析，获得桶形基础在冲刷影响下侧向动阻抗的变化规律；
6)通过在冲刷坑内加入不同密实度的试验土，进行加载试验后通过数据采集和对比分析，获得桶形基础在泥沙输运与冲刷共同影响下侧向动阻抗的变化规律。
[0021 ]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:
通过本试验测量装置及试验方法，可以研究影响桶基动阻抗特性的因素，进而深入揭示桶基与海水、海床动力相互作用的机理。通过模拟不同形态、不同大小、不同深度的冲刷坑并进行对比分析，可分析在冲刷影响下海上风机大直径薄壁桶基侧向动阻抗的变化规律;在冲刷坑内加入不同密实度的砂土，可分析在泥沙输运与冲刷共同作用下海上风机大直径薄壁桶基侧向动阻抗的变化规律。
[0022]上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
[0023]图1为本发明可考虑冲