一种多功能高桩梁板码头物理实验模型及实验方法与流程

本发明涉及一种多功能高桩梁板码头物理模型及使用方法，属于海洋工程中波浪与建筑物相互作用的物理模型实验领域。

背景技术：

1、近年来，海平面上涨和台风频发增加了码头被破坏的可能。高桩梁板码头因其具有对地基适应能力强、部件受力明确、构件抗裂性高、装配程度高和施工速度快等优势在我国沿海广泛使用。由于高桩梁板码头的梁板结构的设计载荷为向下作用的恒载，因此当它受到波浪引起的上托载荷时很容易产生严重破坏，进而使码头丧失功能。同时码头由岸边向海建造，岸壁导致的波浪反射进一步影响波浪对甲板的上托载荷，这种反射在极端波浪条件下更加明显，增加了码头甲板被破坏的风险。此外，严峻海洋环境中波浪产生巨大的水平力可能造成码头内壁板的滑移。波浪越上码头甲板也会造成装卸机械和集装箱等的破坏。

2、目前，虽然已有相关研究提出测量波浪作用于码头甲板的上托荷载的物理实验模型和相应方案。但一方面，现有物理实验模型其模拟的真实性不高，普遍缺少考虑波浪反射和缺少梁板间腔室对上托荷载的影响因素（doi: 10.1016/j.coastaleng.2009.01.005和doi: 10.1016/j.coastaleng.2016.08.001）。另一方面，现有高桩梁板模型装配程度不高，制作缓慢，受实验设施的限制较大并且一次只能测得部分实验结果，如专利文献cn108060654a。这导致工程上缺少对于上述因素导致荷载变化的实验数据，在码头设计时缺少参考，结构安全性无法得到完全满足。因此，目前缺少普遍适用实验水槽设施且安装迅速，同时考虑梁板间腔室和波浪反射条件下波浪对码头甲板的上托荷载的实验模型和实测数据和能够同时测量上托、水平荷载和越浪量的物理实验模型。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于实际波浪环境模拟波浪条件和实验时间的、能够普遍适用实验水槽设施且安装迅速，同时考虑梁板间腔室和波浪反射条件下波浪对码头甲板的上托荷载的实验模型和实测数据和能够同时测量上托、水平荷载和越浪量的多功能高桩梁板码头实验模型及实验方法。具体的：

2、本发明所述一种多功能高桩梁板码头实验模型包括模拟码头、测量系统和数据收集系统，模拟码头的尺寸基于实际码头各部分尺寸按弗劳德（froude）相似准则缩放；测量系统安装在模拟码头上，用于测量波浪上托荷载、水平荷载和越浪量；数据收集系统连接测量系统用于收集测量系统测得的各项数据。

3、进一步的，所述的模拟码头包括码头框架和码头附属结构；所述的码头框架包括连接为一个整体的底板、斜坡、内壁板板、支撑板和固定板；底板水平设置，内壁板板与底板相互垂直，斜坡安装在底板上并抵靠内壁板板的前侧构成波浪反射的条件，支撑板安装在底板上并抵靠内壁板板的后侧以使内壁板板在波浪冲击下能够保持稳定，固定板位于斜坡的上方并固定在内壁板板的顶部用于模拟码头甲板。

4、进一步的，所述的斜坡可以为三角形结构，所述的支撑板可以为三角形结构。

5、进一步的，码头附属结构包括钢桩、横梁、纵梁；钢桩连接在底板和固定板之间模拟码头支撑柱；横梁与纵梁设置在固定板下方用以模拟码头的支撑梁，横梁与纵梁之间形成多个腔室。

6、进一步的，码头附属结构还包括固定覆盖在在固定板上表面的面板，面板、固定板与横梁或纵梁通过螺栓连接，横梁、纵梁和面板上用于安装螺栓的孔为沉孔，以便将螺栓头或螺母隐藏在孔内。

7、进一步的，所述的测量系统包含用于测量波浪上托荷载的第一传感器、用于测量水平荷载的第二传感器，第一传感器安装在横梁与纵梁之间形成的腔室内，第二传感器安装在内壁板板受水浪冲击面上；测量系统还包含测量越浪重量的越浪测量装置，该越浪测量装置包括安装在固定板上的引流槽，以及安放在引流槽出水端用于收集越浪的水箱，水箱内设置有质量传感器以测量收集水量。

8、本发明还提供了一种多功能高桩梁板码头实验模型的实验方法，在实验水槽内搭建上述多功能高桩梁板码头实验模型后，依次通过控制外部实验变量：波高、波长、水深和模拟时间进行实验采集波浪上托荷载、水平荷载和越浪量数据。

9、更进一步的，上述实验方法还依次通过控制模型变量：横梁和纵梁的梁高、梁间距和斜坡高度进行实验采集波浪上托荷载、水平荷载和越浪量数据。

10、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

11、（1）：本发明不仅考虑了波浪反射和梁板间腔室对波浪上托荷载的影响，还分别考虑了其与波浪条件和实验时间对波浪水平荷载和越浪量的影响。

12、（2）：本发明可同时测量波浪上托荷载、水平荷载和越浪量，节约实验时间且数据收集方式操作简单，思路清晰，易上手。

13、（3）：本发明制作时间短，重量较轻，方便移动并适配多种水槽。材料便宜并能模拟实际结构刚性。

14、（4）：本发明结构可按比例缩放制作并可根据实际码头改变结构尺寸，与实际建筑物相似度高，适用范围广。

15、（5）：本发明中附属码头结构组装简单，更换迅速。在达到实验目的的同时大大缩短了实验室时间。

16、（6）：本发明各部分结构紧凑不留缝隙并采取减震手段，减少试验过程中外部因素导致的实验数据污染。

技术特征：

1.一种多功能高桩梁板码头实验模型，包括模拟码头、测量系统和数据收集系统，其特征在于：模拟码头的尺寸基于实际码头各部分尺寸按弗劳德（froude）相似准则缩放；测量系统安装在模拟码头上，用于测量波浪上托荷载、水平荷载和越浪量；数据收集系统连接测量系统用于收集测量系统测得的各项数据。

2.根据权利要求1所述的一种多功能高桩梁板码头实验模型，其特征在于：所述的模拟码头包括码头框架和码头附属结构；所述的码头框架包括连接为一个整体的底板、斜坡、内壁板、支撑板和固定板；底板水平设置，内壁板与底板相互垂直，斜坡安装在底板上并抵靠内壁板的前侧构成波浪反射的条件，支撑板安装在底板上并抵靠内壁板的后侧以使内壁板在波浪冲击下能够保持稳定，固定板位于斜坡的上方并固定在内壁板的顶部用于模拟码头甲板。

3.根据权利要求2所述的一种多功能高桩梁板码头实验模型，其特征在于：所述的斜坡为三角形结构，所述的支撑板为三角形结构。

4.根据权利要求2所述的一种多功能高桩梁板码头实验模型，其特征在于：码头附属结构包括钢桩、横梁、纵梁；钢桩连接在底板和固定板之间模拟码头支撑柱；横梁与纵梁设置在固定板下方用以模拟码头的支撑梁，横梁与纵梁之间形成多个腔室。

5.根据权利要求4所述的一种多功能高桩梁板码头实验模型，其特征在于：码头附属结构还包括固定覆盖在在固定板上表面的面板，面板、固定板与横梁或纵梁通过螺栓连接，横梁、纵梁和面板上用于安装螺栓的孔为沉孔，以便将螺栓头或螺母隐藏在孔内。

6.根据权利要求4或5所述的一种多功能高桩梁板码头实验模型，其特征在于：所述的测量系统包含用于测量波浪上托荷载的第一传感器、用于测量水平荷载的第二传感器，第一传感器安装在横梁与纵梁之间形成的腔室内，第二传感器安装在内壁板受水浪冲击面上；测量系统还包含测量越浪重量的越浪测量装置，该越浪测量装置包括安装在固定板上的引流槽，以及安放在引流槽出水端用于收集越浪的水箱，水箱内设置有质量传感器以测量收集水量。

7.一种如权利要求6所述的多功能高桩梁板码头实验模型的实验方法，其特征在于：依次通过控制外部实验变量：波高、波长、水深和模拟时间进行实验采集波浪上托荷载、水平荷载和越浪量数据。

8.根据权利要求7所述的多功能高桩梁板码头实验模型的实验方法，其特征在于：还依次通过控制模型变量：横梁和纵梁的梁高、梁间距和斜坡高度进行实验采集波浪上托荷载、水平荷载和越浪量数据。

技术总结
本发明涉及一种多功能高桩梁板码头实验模型，其包括模拟码头、测量系统和数据收集系统，模拟码头的尺寸基于实际码头各部分尺寸按弗劳德（Froude）相似准则缩放；测量系统安装在模拟码头上，用于测量波浪上托荷载、水平荷载和越浪量；数据收集系统连接测量系统用于收集测量系统测得的各项数据。本发明还提供了该实验模型的实验方法，依次通过控制波高、波长、水深和模拟时间或通过控制横梁和纵梁的梁高、梁间距和斜坡高度进行实验，采集波浪上托荷载、水平荷载和越浪量数据。本发明基于实际波浪环境模拟波浪条件和实验时间的、能够普遍适用实验水槽设施且安装迅速，同时考虑梁板间腔室和波浪反射条件，能够同时测量上托荷载、水平荷载和越浪量。

技术研发人员：彭晨,陈橙,宁德志
受保护的技术使用者：彭晨
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5