一种海上风电基础模型试验系统及方法与流程

1.本发明涉及海上风机基础结构室内模型试验设备技术领域，特别是涉及一种海上风电基础模型试验系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前的发电方式中火力发电不仅仅消耗大量的化石能源，而且对环境造成了严重污染，而风能作为迄今为止开发和利用的最清洁、且最具商业价值的环境友好型能源之一，具有良好的开发利用前景。与陆上风能相比，海上风能具有风速稳定、资源丰富、噪音小和不占耕地等优势，在海上风机建设中，风机基础作为海上风电的支撑结构，对风机的安全运营至关重要，因此对海上风机基础结构的承载特性和振动特性研究一直备受关注。
4.模型试验和现场试验一直是对于基础结构主要的研究方法，虽然工程现场的原型试验是研究基础承载特性和振动特性最直接、最可靠的方法，但由于现场实验周期长、成本高、现场条件复杂等因素的限制，其应用受到很大的制约。
5.因此，室内模型试验成为不可或缺的科学研究手段，其试件按原型以相似原理缩小，在实验室条件下进行试验并记录数据，实验数据和结果可按相似原理引申至原型，可以对原型工程实际运行期间出现的现象进行预测；模型所需要的场地较小，可以进行多次试验来消除试验误差，使结果更加准确，并且在室内环境下可以根据试验需要改变材料特性、水平荷载的施加大小和高度、水平荷载的荷载波形等试验条件，充分研究海上风机基础的水平受荷性状。因此，在研究海上风机基础承载破坏特性和振动特性时室内模型试验具有很强的目的性和针对性。
6.如今国内外开展的关于海上风机基础结构的室内模型试验已经取得了丰硕的成果，对现在理论研究的模型试验具有重要指导作用。海上风机长期处在复杂海洋环境中，遭受风、浪、流等水平荷载影响，且水平荷载方向是随机、多向的；但是，发明人发现，目前的海上风机基础模型试验主要考虑水平静力或者水平动力荷载，现有的试验装置还无法真实模拟多方向交叉、静动力组合的复杂海洋荷载。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明提出了一种海上风电基础模型试验系统及方法，通过不同的加载系统施加不同的荷载，并可实现对荷载大小、方向的调节，实现在各种不同受力情况下风机基础的承载特性和振动特性的研究。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.第一方面，本发明提供一种海上风电基础模型试验系统，包括：框型主体、试验土箱以及用于对试验土箱施加荷载的液压杆加载系统和砝码加载系统；
10.在所述框型主体的底座上通过第一导轨安装试验土箱；
11.所述框型主体的立柱通过第二导轨连接水平梁，所述水平梁通过螺栓杆与框型主体的顶部主梁连接，在水平梁上连接液压杆加载系统；
12.所述水平梁上设有第三导轨，在第三导轨上通过滑轮组连接砝码加载系统。
13.第二方面，本发明提供一种海上风电基础模型试验方法，包括：
14.在试验土箱内填筑试验土体，对试验土体通过砝码加载系统、液压杆加载系统和偏心轮加载系统分别施加荷载；
15.通过砝码加载系统施加水平静荷载并改变水平静荷载的大小，根据砝码加载系统在水平梁导轨上的移动调整水平静荷载方向；
16.通过液压杆加载系统施加循环荷载并改变循环荷载的大小，根据水平梁在框型主体的立柱导轨上的移动调整循环荷载高度；
17.通过偏心轮加载系统施加振动荷载；
18.采集试验土体在不同荷载下的承载数据和振动数据。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
20.本发明研究模型试验中海上风机基础水平承载特性和振动特性，解决现实过程中海上风电基础水平承载力难以测试的问题，采用独特的导轨设计，能够多次利用该模型架，有助于在各种不同受力情况下风机基础的承载特性和振动特性的研究。
21.本发明能够成功的模拟现实过程中海上风机基础的承载特性发挥过程，为指导基础设计和基础承载特性理论、振动特性研究提供有效参考依据。
22.本发明的实验土箱采用透明的钢化玻璃，能够对实验土料的填筑情况和水位以及后续土体变形情况进行直接观察。
23.本发明的整个实验装置密封性能良好，具有足够的强度和刚度，在实验过程中不会产生不利变形，保障实验台架的稳定性。
24.本发明的数据采集装置可以实现自动化采集，与数显系统连接，通过数显系统能够实时提供数据表格和绘制曲线。
25.本发明的加载系统的加载方案灵活，共设计三种加载装置，加载方案的选取较为自由，可以进行组合使用，也可以根据不同的实验目的单独使用；其中施加静荷载时，可选取砝码加载装置或液压杆加载装置；施加振动荷载时，可选取液压杆加载装置或偏心轮加载装置；偏心轮加载装置为直接安装在预制风机基础上，与液压杆加载系统相比，保证风机基础的独立性。
26.本发明的试验系统功能丰富，可以研究不同形式基础、不同土层、不同埋置深度等条件下海上风机基础的承载特性和振动特性，水平荷载的大小、方向、振动波形、施加高度等都可以根据不同试验目的进行调整，结构简单，便于组装操作。
27.本发明在立柱上装有导轨和刻度尺，水平梁能够在立柱自由移动或固定，以此来改变荷载的施加高度，且采用导轨设计有利于重复实验。
28.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为本发明实施例1提供的海上风机基础模型试验系统示意图；
31.图2为本发明实施例1提供的偏心轮加载系统示意图；
32.其中：1.底座；2.导轨；3.试验土箱；4.主梁；5.水平梁；6.液压杆加载系统；7.刻度尺；8.立柱；9.水平梁导轨；10.滑轮；11.砝码加载系统；12.肋板；13.螺栓杆；14.动力齿轮盘；15.螺帽；16.螺杆；17.偏心齿轮盘。
具体实施方式：
33.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
34.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.实施例1
38.如图1所示，本实施例提供一种海上风电基础模型试验系统，包括：框型主体、试验土箱和加载系统；
39.在本实施例中，所述框型主体由底座1、与底座连接的四根竖直的立柱8、与立柱8连接的四根顶部主梁4构成；
40.优选地，框型主体结构高40cm，满足强度和刚度要求能够支撑上部结构的自重以及反力，同时主梁刚度足够大，能够保障整体稳定性。
41.在本实施例中，在所述底座1上安装有导轨2，在所述导轨2上安装有能够自由滑动的试验土箱3；
42.优选地，导轨2用于实现试验土箱3的自由移动，方便实验前土料的填筑以及土料的更换，从而研究不同土质情况下风机基础的特性。
43.在本实施例中，所述试验土箱3是填筑试验土体的装置，试验土箱3的土箱整体由钢化玻璃板组成，目的是方便对试验土体的填筑情况、水位和试验过程中土体的变形情况进行直接观察。
44.优选地，试验土箱3的玻璃板分块组装，能够自由拆卸；
45.优选地，在试验土箱3各面板上均设有肋板12，目的是为了保障试验土箱3整体的强度和刚度；
46.优选地，试验土箱3后面板设有三个开口，实验结束后试验土体和水可由开口处放出，且试验土箱整体密封性良好，在实验过程中不会发生渗漏情况。
47.在本实施例中，所述立柱8用于支撑加载系统，在立柱8上设有第二导轨及刻度尺
7；
48.优选地，所述立柱8通过第二导轨连接水平梁5，所述水平梁5通过螺栓杆13与主梁4连接，以使水平梁5通过第二导轨和螺栓杆13在立柱8上下滑动，并通过所述刻度尺7读取水平梁5高度；
49.优选地，除正面主梁外，其余三根主梁均与下部的水平梁5通过螺栓杆13相互连接，用于调整水平梁5的高度，进而控制荷载的加载高度。
50.在本实施例中，在所述试验土箱3上部安装有加载系统，用于根据加载要求设定荷载的大小、波形和加载时间；
51.所述加载系统包括液压杆加载系统6、砝码加载系统11和偏心轮加载系统，三种加载系统均对风机基础施加荷载，液压杆加载系统和砝码加载系统设置于整体装置上，直接与风机基础相连接，偏心轮加载系统独立安装在风机基础上，以实现风机基础独立性，三种加载系统可以任意组合使用或单独使用，实现对多向复杂海洋的准确模拟；
52.其中，所述液压杆加载系统6用于施加循环荷载，通过液压杆与由电脑控制的加载系统相连，改变循环荷载大小，施加不同波形的循环荷载，且在电脑端能够显示数据表格和加载曲线；
53.所述液压杆加载系统6安装在水平梁5上，水平梁5通过在立柱8的导轨上自由滑动和固定，以实现对水平梁5高度的调整，进而对循环荷载的加载高度进行调整。
54.所述水平梁上设有水平梁导轨9，在水平梁导轨9上通过滑轮10连接用于砝码加载系统11；
55.所述砝码加载系统11施加水平静载荷，通过滑轮10在水平梁5的水平梁导轨9上自由滑动，以调整水平静荷载的方向；通过调整标准砝码的数量，来调整水平荷载的大小；
56.实验时，将砝码加载系统11与试验风机基础连接并绕过水平梁5的滑轮10，通过调整标准砝码的数量以调整水平荷载的大小，且可以根据滑轮10所在位置调整水平静荷载的方向。
57.所述偏心轮加载系统包括三个齿轮，至少存在一个齿轮的尺寸小于另外两个，由较小的齿轮提供动力，另外两个齿轮相互咬合等速对称旋转，两个大齿轮上开设用于安装偏心质量的孔，孔内安装螺杆并配有若干个螺帽，当满足等速对称条件时，可以满足风机基础独立的情况下施加振动荷载；
58.优选地，螺帽可以根据不同的试验工况进行配置。
59.如图2所示，所述偏心轮加载系统包括两个偏心齿轮盘17和一个动力齿轮盘14，动力齿轮盘14的尺寸小于偏心齿轮盘17；
60.所述动力齿轮盘14负责提供动力，可以设定不同的转速调整循环荷载的频率；
61.所述偏心齿轮盘17上设有用于安装偏心质量的孔，孔内安装螺杆16，并可根据工况在螺杆16上安装不同数量的螺帽15调整循环荷载的振幅；
62.优选地，所述偏心轮加载系统独立安装在风机基础上，用于施加不同波形的振动荷载。
63.在本实施例中，实验时，在试验土箱3内填筑试验土体，并在试验土体和风机基础布设监测元件，所述监测元件与数据采集系统相连，所述数据采集系统与数显系统相连；
64.优选地，数据采集装置可以实现自动采集承载数据和振动数据，数显系统能够实
时提供数据表格和自动绘制曲线；
65.优选地，采集的数据包括：土体所受压力、桩基础振动的加速度信号、桩体的应变、桩顶的位移和桩受到荷载大小等。
66.优选地，所述监测元件包括土压力盒、加速度传感器、应变片等。
67.在更多实施例中，还提供：
68.一种海上风机基础模型试验系统的组装及使用方法，包括以下步骤：
69.(1)按照设计要求和试验目的加工底座1、导轨2和试验土箱3。
70.(2)根据实验目的预制模型风机基础。
71.(3)安装底座1和导轨2并焊接成为一体，安装试验土箱3并且保证其能够在导轨2上固定和移动；
72.由于试验土箱3由钢化玻璃板制成，为避免实验过程中出现的不利变形，在试验土箱3外侧设定足够多的肋板12。
73.(4)根据实验要求在试验土箱3内填筑试验土体和水，将预制的风机基础根据实验目的埋设在特定深度，并埋设测量系统即监测元件。
74.(5)安装主梁4、水平梁5和立柱8，并将液压杆加载系统6和滑轮10安装在水平梁5上，保证滑轮10能在水平梁5上自由滑动和固定，水平梁5能在立柱8上自由滑动和固定。
75.(6)引出数据线并连接数据采集装置，数据采集装置能够自动采集数据并与数显系统相连，数显系统含有的软件能够实时显示数据表格和自动绘制曲线。
76.(7)根据实验目的从三种方案中选取合适的加载方案，三种加载方案可组合使用，也可独立使用；
77.具体地，通过砝码加载系统施加水平静荷载并改变水平静荷载的大小，根据砝码加载系统在水平梁导轨上的移动调整水平静荷载方向；
78.通过液压杆加载系统施加循环荷载并改变循环荷载的波形，根据水平梁在框型主体的立柱导轨上的移动调整循环荷载的高度；
79.通过偏心轮加载系统施加振动荷载。
80.(8)进行实验，根据实验要求得出相应数据和曲线并总结规律，得出结论。
81.(9)实验结束后，可将试验土箱3通过导轨2移动出来，更换土体或玻璃板，可根据需要，进行不同情况下风机基础特性测试的室内研究。
82.与现有研究相比，本实施例与工程实际更接近，加载方案的选择更加灵活，试验系统功能更加全面、操作更加方便简单、功能丰富、测量精确，能够直接的观察到风机基础与土的变形情况，并且可以根据不同的实验目的进行重复试验，试验数据和响应曲线能够实时显示，所得出的研究成果对海上风机的基础设计有重要意义。
83.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
84.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。