一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法与流程

本发明属于本发明属于海上风机发电技术领域，尤其涉及一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法。

背景技术：

随着煤炭、石油等不可再生能源日渐减少，以及化石能源使用所带来的环境问题日益突出，很多国家开始积极探索和开发可再生能源。作为可再生能源的代表，海上风能因其具有节约土地资源、风能平稳、无噪音、无污染等特点成为了新能源开发的的研究重点。

海上风机的超大直径薄壁桶基一般指的是直径远大于常见桩基础及吸力锚基础，直径达数十米（最大已经达到30m），且桶基壁厚的厚径比远小于0.1的桶形基础。如2002年丹麦的Frederikshavn风电场中，首次使用了直径12m，厚径比0.002的超大直径薄壁桶形基础。特别是随着海上风电开发所遇水深的不断增大，从海上石油平台导管架结构演变而来的，适应水深范围更广、承载力更大的三脚架及四脚导管架基础也不断被应用到风机的基础中，吸力桶基础作为这些“多足”支撑结构的每个“脚”形成多桶基础，通过反向的竖向反力抵抗倾覆弯矩。

对于深海浮式风机和多桶基础的风机，风机在实际运行时，上部结构受到风、浪、流、地震波等侧向荷载的作用，最终外部荷载以竖向循环荷载的形式传递到桶基上，这些环境荷载的频率和风机自振频率很接近，容易导致风机发生共振破坏。除此之外，最易引起风机结构共振的荷载产生于风机叶片的转动，转动会产生两种频率的荷载：①偏心荷载，由于涡轮机和叶片的质心往往与转轴有一定的偏移（叶片变形也会产生质心偏移），风轮转动会产生偏心力，其频率与转动频率相等，称1P 频率；②在叶片转动过程中，由于叶面重力引起的载荷，随风轮转动循环施加。该荷载的频率为叶片数乘上风轮的转动频率，一般的三叶片风机的穿越频率称为3P频率。为了避免发生共振，工程设计中需要让风机结构整体的第一阶自振频率避开1P 频率、3P频率和外部环境荷载的频率。同时为了保证安全，DNV（DNV-DET NORSKE VERITAS，挪威船级社）规范要求在1P和3P频带上预留10%的安全度。这样可供风机安全运行的频率段实际上极为狭窄。因此风机在正常运行期间自振特性的精确研究是保障风机在正常使用期间安全运行的关键，甚至被有些学者称为最关键的部分。

根据高等结构动力学中多自由度线性系统振动方程，结构的振动特征取决于作用在结构上的外力、结构的质量、刚度和阻尼。特别是在计算深海浮式风机和近海多桶基础的海上风机自振特性时，桶基受到的主要是竖向荷载，基础的竖向动阻抗对自振特性有着至关重要的影响。

目前在风机设计时，正常运行状态下桶基的竖向动阻抗还无规可依，一般用的是通过试验得到竖向静刚度，或者采用API（American Petroleum Institute美国石油协会）及DNV规范推荐的T-Z曲线进行近似计算。由于静刚度是在静荷载作用下得到的，而T-Z曲线则是通过细长桩基静力极限承载力试验得到的，因此通过这样计算得到的结果显然不精确。同时随着风机正常运行，外部荷载的循环施加，桶基的动阻抗会出现变化，风机的自振频率也发生变化。有学者研究了循环荷载下桶形基础风机的自振频率和系统阻尼的变化规律，但是为能准确得到桶基动阻抗，仍需要深入研究桶基动阻抗的产生机理及影响因素。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法。通过该试验装置和试验方法，可以准确地研究桶基的竖向初始动阻抗及其影响因素。

该装置利用加载架上的低频电磁激振器对桶基（即桶形基础）进行精确的低频、低荷载的加载，通过压力传感器和应变片精确算得桶基与土体的作用力，通过加速度传感器算得土体的位移，最后计算得到土体的动刚度。撤掉加载架，在桶形基础部分，在顶部质量块施加一个竖向的初始位移或初始加速度，通过加速度传感器测得自由振动的衰减曲线，计算求得桶基的动阻尼。通过土压力传感器和孔隙水压传感器，研究土压力和孔隙水压力对初始动阻抗的影响

本发明采用的技术方案如下，一种桶基竖向初始动阻抗试验装置，包括试验铁箱和桶形基础；所述桶形基础的底部贯入试验铁箱内砂土正中央；风机塔架通过法兰连接盘固定于桶形基础上方，质量块固定在风塔机架的上方；低频电磁激振器固定在激振器架上，激振器架固定在加载架上，加载架嵌套在试验铁箱侧壁上端；低频电磁激振器的下端连接着延伸推力杆，力传感器固定在延伸推力杆和质量块之间；在桶形基础的桶壁外侧贴有应变片，土压力传感器布置在桶形基础底部与土体的接触面上，在桶形基础下方的桶形基础的中轴线上、桶形基础的桶壁两侧以及桶形基础外侧壁周围均布置有孔隙水压力传感器；加速度传感器固定在桶形基础的顶盖上，加速度传感器对称的固定在桶形基础的顶盖的两侧，可以精确的得到桶基的竖向位移。低频电磁激振器和功率放大器连接，功率放大器和扫频信号发生器连接；应变片、土压力传感器、孔隙水压力传感器、加速度传感器和力传感器均通过数据线和动态采集仪连接，动态采集仪和计算机连接。

在试验铁箱的内壁上固定有一层耗能材料，能很好吸收循环荷载作用时，土体产生的应力波和土体-海水界面产生的界面波，使试验结果更加精确。排水装置固定在试验铁箱底部的耗能材料上，排水装置为若干根排水管，并在排水管周边布置碎石和土工布，组成排水系统，往试验箱内加水和排水，使土体更容易固结、饱和。从底部排水管从试验铁箱的四角延伸到试验铁箱外部，所述耗能材料为多孔泡沫。

为了提高试验的精度与装置的稳定性，低频电磁激振器、质量块、风机塔架以及桶形基础的中轴线重合。

试验铁箱通过钢板焊接而成，并进过防锈处理，不易腐蚀，且铁箱外表面沿着铁箱长度方向焊有角钢肋条，提高了试验铁箱的承载力。同时加载架两侧还布置有钢板加劲肋，能防止加载架出现倾覆。

基于前述的一种桶基竖向初始动阻抗试验装置的试验方法，包括桶基竖向动刚度试验和桶基竖向动阻尼试验；

首先进行桶基竖向动刚度试验，包括如下步骤：

在试验铁箱中先不加入海水；

A1)在排水管周围垫上砾石，砾石顶部铺上一层土工织布，防止砂土从排水管流失；

A2) 待砂土固结后，在直径0.3m的桶形基础的顶盖处固定好加速度传感器，并将桶形基础贯入试验铁箱正中央砂土并安装到位，待土体完成超静孔压消散；

A3) 将加载架嵌套在试验铁箱上，然后利用激振器固定架把低频电磁激振器固定,调整加载架位置和低频电磁激振器的高度，使电磁激振器和桶形基础的中轴线重合，并在延伸推力杆和质量块间固定好力传感器；

A4）通过低频电磁激振器在桶形基础顶部施加竖向循环激振力，待桶形基础响应稳定后记录桶形基础及周围土体的响应数据；

A5) 改变简谐荷载的频率,重复若干次步骤A4）若干次，并记录数据；

A6）待无海水情况下步骤A1）-A5）的桶基竖向动刚度测试试验完成以后，在试验铁箱中加入海水以模拟海洋环境，静置一段时间至土体饱和，重复步骤A1）-A4），以获得有海情况下桶基竖向动刚度测试值；

A7）将桶形基础上拔，使桶形基础的顶板与土体分离但桶形基础并不完全拔出，即桶壁仍然插在土体中，待土体固结一段时间直至上拔引起的土体扰动恢复及超孔压消散后，重复有海水状态下的步骤A4）-A5），测得桶形基础桶壁的竖向初始动刚度；

A8）将桶形基础完全拔出后，将直径0.3m的桶形基础拆下换上直径为0.3m的圆盘基础，固结一定时间后，对圆盘基础施加竖向的简谐激振荷载，待基础响应稳定后，记录圆盘基础的响应，测得圆盘基础的竖向初始动刚度；

A9）移除圆盘基础，安装直径为0.1m的桶形基础，待土体固结一段时间后，参照第A4）-A5）步的方法，测得直径0.1m的桶形基础的竖向初始动刚度及土体动力响应；

Ａ10）拆下直径为0.1m的桶形基础，换上直径0.5m的桶形基础，待土体固结一定时间后，参照第A4）-A5）步的方法，测得直径0.5m的桶形基础的动刚度及土体动力响应，至此桶基竖向动刚度试验结束；

待桶基竖向动刚度试验做完后，进行桶基竖向动阻尼试验，动阻尼试验流程和动刚度试验流程一样，区别在于在步骤A4）中动刚度试验在桶形基础顶部施加外部竖向循环荷载，而动阻尼试验在桶形基础顶部施加一个初始位移或加速度，然后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，计算求得桶形基础的阻尼。

本发明的有益效果：

1．该试验装置能同时测量土压力、孔隙水压力。能记录下在循环荷载作用时，桶基周围土体的动力响应，及孔隙水压力的累积和消散情况，反映出土压力和孔隙水压力与桶基竖向动阻抗的关系。

2．该试验装置在桶形基础桶壁两侧均贴有应变片，通过记录应变片的值，能够计算出桶壁的微小应变，算出桶壁截面上的内力。在质量块和延伸推力杆间安装有力传感器，能测得的作用在桶形基础上激振力的大小。通过激振力和桶壁内力的计算，从而能更准确地算出作用桶形基础与土体的相互作用力。

3．该试验装置的试验铁箱内部固定有一层多孔泡沫的耗能材料，从而能很好吸收循环荷载作用时，土体产生的应力波和土体-海水界面产生的界面波，使试验结果更加精确。

4．该试验装置在桶形基础顶部两侧对称固定加速度传感器，通过对加速度进行二次积分，可以精确得到桶基竖向位移。同时利用两个加速度传感器得到的位移差，可以反算出桶基的倾角，检查桶基是否倾斜。

5．该试验装置在试验铁箱底部安装有若干排水管，并在排水管周边布置碎石和土工布，组成排水系统。从底部排水管往试验箱内加水和排水，使土体更容易固结、饱和。

6．该试验装置的试验铁箱通过钢板焊接而成，并进过防锈处理，不易锈蚀。且铁箱外表面沿着铁箱长度方向焊有角钢肋条，较好提高试验铁箱的承载力。同时加载架两侧还布置有钢板加劲肋，能防止加载架出现倾覆。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 是本发明的结构示意图；

图2 是本发明中试验铁箱的正视图；

图3 是本发明中试验铁箱的左视图；

图4 是本发明中试验铁箱的俯视图；

图5 是本发明中加载架的正视图；

图6 是本发明中加载架的左视图；

图7是本发明中加载架的俯视图；

图8是本发明中桶形基础的正视图；

图9是本发明中圆盘基础的正视图；

图中，1-桶形基础、2-风机塔架、3-质量块、4-延伸推力杆、5-低频电磁激振器、6-激振器固定架、7-力传感器、8-法兰连接盘、9-土压力传感器、10-孔隙水压力传感器、11-加速度传感器、12-应变片、13-耗能材料、14-排水管、15-试验铁箱、16-砂土、17-海水、18-角钢肋条、19-钢板加劲肋、20-加载架、21-功率放大器、22-扫频信号发生器、23-动态采集仪、24-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1-图9所示，本发明的一种用于超大直径薄壁桶形基础竖向初始动阻抗试验装置，包括桶形基础1、风机塔架2、质量块3、延伸推力杆4、低频电磁激振器5、激振器固定架6、力传感器7、法兰连接盘8、土压力传感器9、孔隙水压力传感器10、加速度传感器11、应变片12、耗能材料13、排水管14、试验铁箱15、砂土16、海水17、角钢肋条18、钢板加劲肋19、加载架20、功率放大器21、扫频信号发生器22、动态采集仪23、计算机24。试验铁箱15内部固定住一层耗能材料13，排水管14固定在耗能材料13上表面；在试验铁箱15中装入适量的符合试验要求的砂土16和海水17；桶形基础1通过重力和抽真空形成负压的方式贯入砂土16的正中央；风机塔架2通过法兰连接盘8固定于桶基基础上方，风机塔架2和质量块3利用定位螺丝固定在一起；低频电磁激振器5固定在激振器固定架6上，激振器固定架6通过螺丝和拉杆固定在加载架20上的合适位置，激振器前端连接着延伸推力杆4，力传感器7通过定位螺丝固定在推力杆和质量块3间，低频电磁激振器5、质量块3、风机塔架2和桶形基础1的中轴线在同一竖直直线上；加载架20通过加载架底部角钢嵌套在试验铁箱15壁上，利用螺丝固定住。应变片12贴在桶形基础1的桶壁中间处内外侧，土压力传感器9布置在桶形基础1底部与土体的接触面上，孔隙水压力传感器10布置在桶基中轴线下方、桶壁两侧及桶基外适当的距离处，加速度传感器11固定在桶形基础1顶部顶盖两侧；低频电磁激振器5通过数据线和功率放大器21、扫频信号发生器22连接，进行激振力大小和频率的控制；应变片12、土压力传感器9、孔隙水压力传感器10、加速度传感器11和力传感器7均通过数据线和动态采集仪23连接，动态采集仪23和计算机24连接，进行数据采集。

试验铁箱15尺寸为：2m×2m×1.5m（长×宽×高）。根据相似准则，将密砂进行缩尺，砂土16粒径取为0.3mm~0.4mm。

该试验装置有五种传感器，均与动态采集仪23连接，在循环荷载施加过程中进行动态记录。力传感器7用于测量低频激振器所施加的激振力的大小。加速度传感器11用于测量桶形基础1整个过程中加速度的大小，通过测量加速度时程，接着通过两次积分得到位移时程，得到极小应变时的位移，最后通过桶形基础1顶部两侧位移差反算桶形基础1转角。土压力传感器9和孔隙水压力传感器10用于测量桶基周围土体的动力响应，及孔隙水压力的累积和消散情况，反映出土压力和孔隙水压力与桶基竖向动阻抗的关系。应变片12用于测量桶壁的微小应变，从而算出桶壁截面上的内力，通过与力传感器7测得的激振力共同计算，从而能更准确地算出作用桶形基础1与土体的相互作用力。

该试验装置能分别进行有海水17和无海水17的桶形基础1竖向动阻抗试验，通过二者对比，可以研究海水17对竖向动阻抗的影响。

该试验装置能进行分别进行桶形基础1、桶壁和圆盘基础的竖向动阻抗试验，对比桶形基础1不同部分的竖向动阻抗，可以得到桶形基础1不同部分提供动阻抗的比例，研究桶形基础1提供动阻抗的机理。

该试验装置能进行不同尺寸的桶形基础1动阻抗试验。将直径为12m，高为6m的桶基进行缩尺，桶基长径比均为1.0，壁厚直径比定位0.005，3个桶基比尺分别为1:120、1:40和1:24，其直径分别为0.1m、0.3m和0.5m（该直径均为桶基下方薄壁围成的桶装结构直径），桶基材料均为钢材。从而研究比尺效应对桶形基础1竖向动阻抗的影响。

该超大直径薄壁桶形基础1竖向初始动阻抗试验装置及试验方法，可包括两部分试验：桶基竖向动刚度试验和桶基竖向动阻尼试验。桶基竖向动刚度试验按下列步骤进行：

（1）在试验铁箱15底部布置好排水管14组成的排水系统，在排水管14上隔一定距离打上排水孔，周围垫上砾石，砾石顶部铺上一层土工织布，防止砂土16从排水管14流失。然后在土工织布上方分层填入砂土16，砂土16回填到一定高度后，在相应的位置安置好对应的传感器。直至砂土16回填到试验所需高度。从排水管14往试验箱内加水至水面淹没砂土16。待砂土16饱和后，将水从排水管14排出，至砂土16表面无水，待砂土16固结。

（2）砂土16固结后，在桶形基础顶盖处固定好加速度传感器11，通过过重力和抽真空形成负压将直径0.3m的桶形基础1安装至指定位置，待土体完成超静孔压消散，再进行试验。

（3）将加载架20嵌套在试验铁箱15上，然后把利用激振器固定架6把低频电磁激振器5固定在一定高度上。调整加载架20位置和低频激振器的高度，使激振器和桶形基础1在同一直线上，并在延伸推力杆4和质量块3间固定好力传感器7。

（4）在试验前同时检查各类传感器及信号放大器和数据采集系统是否正常。然后通过低频电磁激振器5在桶形基础1顶部施加竖向循环激振力，一定时间后，待桶形基础1响应稳定后记录桶形基础1及周围土体的响应（激振力及加速度响应、桶身应变、土体应力、孔压等）。记录完成后，改变简谐荷载的频率，进行多次类似试验，并记录数据。

（5）待无海水17情况下的桶形基础1竖向动刚度测试试验完成以后，桶形基础1不用拔出，在试验铁箱15中加水至一定深度，以模拟海洋环境，静置一段时间后，重复无海水17情况下桶形基础1动刚度测试试验，以获得有海水17情况下桶形基础1竖向动刚度测试值；

（6）将桶形基础1上拔，使桶形基础1顶板离开海床，但并不完全拔出，固结一段时间待上拔引起的土体扰动恢复及超孔压消散后，进行第（4）步所示加载试验，测得桶形基础1桶壁的竖向初始动刚度；

（7）将桶形基础完全拔出后，安装直径为0.3m的刚性圆盘基础在指定位置，固结一定时间后。对圆盘基础施加竖向的简谐激振荷载，待圆盘基础响应稳定后，记录圆盘基础的响应，测得圆盘基础的竖向初始动刚度；

（8）移除圆盘基础，安装直径为0.1m的桶形基础1，估计一段时间后，参照第（4）步的方法，测得直径0.1m桶形基础1的竖向初始动刚度及土体动力响应

（9）移出直径为0.1m的桶形基础1，换上直径为0.5m的桶形基础1，固结一定时间后，参照第（4）步的方法，测得0.5m桶形基础1的动刚度及土体动力响应。至此动刚度模型试验结束。

试验结束后，将试验步骤（4）步骤（5）测量结果对比，分析海水17对桶形基础1竖向初始动刚度的影响机理；将试验步骤（6）+（7）测量结果和步骤（5）测量结果对比，分析桶形基础1不同部分提供初始刚度的关系；将事试验步骤（5）、（8）和（9）得出的结果进行无量纲化，进行对比，分析模型试验中得出的结论及大比尺试验及通过测量真实海上风机反算得到原型桶形基础动刚度值，以分析尺寸效应对无量纲动刚度的影响。

桶基竖向初始动刚度试验做完后，进行桶基竖向初始动阻尼试验。动阻尼试验流程和动刚度试验流程一样，区别在于动刚度试验在桶形基础1顶部施加外部竖向循环荷载，而动阻尼试验在桶形基础1顶部施加一个初始位移或加速度，然后让桶形基础1自由振动，通过加速度传感器测得自由振动的衰减曲线，计算求得桶形基础1的阻尼。

通过本试验装置及试验方法，可以研究影响桶基初始动阻抗特性的因素，进而深入揭示桶基与海水、海床动力相互作用的机理。同时通过探讨比尺效应对桶基无量纲初始动阻抗的影响，为实际工程中的桶基初始动阻抗取值提出合理建议，并对我国今后海上风机的设计和建设提供一定指导性的理论和技术建议。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。