本发明属于海洋试验技术领域，涉及一种海上风浪动态加载试验装置及方法。
背景技术：
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随着现代科学技术的飞速发展和我国环保标准日益严格化和能源结构的改变，海洋工程将呈现爆发式的增长，跨海大桥、海上油田开采、海上风力发电等近海工程、海岸工程发展迅速。桩基础是近海工程和海岸工程采用的最主要的基础形式之一，在保证桩基础安全可靠的前提下，缩短工期、节约工程造价、延长使用年限、减少维修工作等要求不断提高。目前，海上桩基多为大直径开口管桩，因其承载力高、质量可靠、制桩速度快、施工方便、较为经济等优点得到越来越广泛的应用，迫切需要模拟海洋环境中的风浪对模型管桩影响的试验，研究其服役阶段的承载力特性，为其服役阶段的安全可靠性提供理论依据。现有的实验室试验设备不能满足模拟真实的海上风浪对桩施加的外力，以及试验设备操作不易，不能根据时刻不同调整循环荷载的频率和振幅，因此，需要设计一种海上风浪动态加载试验装置，以满足模拟海上风浪下的管桩试验需求。
技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求提供一种海上风浪动态加载试验装置及方法，在进行试验前，根据海洋上风浪常年的规律选择循环荷载的频率、振幅、循环次数确定试验方案，通过海上风浪动态加载试验装置能够简便、快速、安全的进行海上风浪下的管桩模拟试验。
为了实现上述目的，本发明所述海上风浪动态加载试验装置的主体结构包括反力柱、水平圆形轨道、六自由度信息收集器、变频电机、滑动块、模型箱、底座、信息处理器、伺服电机、信息传输器、plc操作控制器、油泵和伺服加载控制器，其中水平圆形轨道、滑动块、变频电机组成水平圆形位移控制系统，伺服电机、油泵和伺服加载控制器组成伺服加载系统，六自由度信息收集器、信息处理器、信息传输器、数据线组成位移反馈信息系统，plc操作控制器为控制系统，底座中间安装模型箱，底座的四个角处竖向安装四根反力柱，水平圆形轨道水平安装在四根反力柱之间上并与每根反力柱相切，水平圆形轨道采用不锈钢制成的带轨道圆盘，滑动块由滑轮和固定块构成，滑动块的滑轮固定在水平圆形轨道上，变频电机的一端与伺服加载系统连接，另一端固定在滑动块上，变频电机带动滑动块在水平圆形轨道上运动，从而实现滑动块的圆形运动，变频电机带动滑动块运动的速度通过数据线传送到位移反馈信息系统，位移反馈信息系统将接收到的信息处理后传送给控制系统，控制系统根据实际试验需求对变频电机的运动速度和运动轨迹进行调整；伺服电机固定在滑动块上，油泵与伺服电机管道连接，伺服加载控制器安装在底座的一侧并通过数据线与油泵连接，伺服加载控制器根据试验所需的频率、频率、振幅、循环次数控制油泵，油泵通过油管控制伺服电机，从而实现加载要求；信息传输器通过数据线分别与控制系统和信息处理器连接，信息处理器通过数据线与六自由度信息收集器连接，六自由度信息收集器安装在水平圆形轨道的正中间，模型桩在加载过程时，六自由度信息收集器将收集到的桩体信息通过数据线传送给信息处理器，信息处理器将得到的信息进行处理通过数据线传给信息传输器，信息传输器将接收到的信息传送到plc操作控制器，plc操作控制器根据实际试验需求对变频电机的运动速度和运动轨迹进行调整，并对各个系统的运动状态进行调整以达到模型桩试验的要求。
本发明采用所述海上风浪动态加载试验装置模拟海上风浪下管桩试验的具体过程为：
(1)将变频电机通过数据线与控制系统连接，打开控制系统检查变频电机是否能在水平圆形轨道上正常运行；然后将位移反馈信息系统中的六自由度信息收集器、信息处理器、信息传输器通过数据线连接，启动位移反馈信息系统，检查各件是否工作正常；将油泵通过油管与伺服电机连接，再将伺服加载控制器通过数据线与油泵连接，打开伺服加载控制器检查伺服加载系统是否工作正常；
(2)根据模型桩的位置确定伺服加载系统的位置，然后通过伺服加载控制器将伺服电机的加载杆对准模型桩的中心位置，确定加载时频率、振幅、循环次数并进行试验方案的确定，准备就绪后打开伺服电机的开关进行模型桩的模拟试验；
(3)位移反馈信息系统实时进行检测模型桩桩体的位移变化，并将采集到的信息通过数据线传输到plc操作控制器，plc操作控制器对各个系统的运动状态进行调整实现伺服电机加载时在模型桩的中心位置；
(4)当模型桩的模拟试验达到所规定的加载循环次数，或者符合模型桩桩体破坏条件时，plc操作控制器发出停止试验指令，所有系统自动关闭，停止试验。
本发明与传统的试验装置相比，具有以下优点：一是该装置可以根据试验要求的频率、振幅、循环次数同时实现两个水平方向的循环加载；二是结构简单，操作容易，不需要人工辅助，自动化程度高，安全可靠，可以快速进行试验；三是实时传输试验中的数据信息到plc操作控制器，能够根据得到的数据信息进行试验的调整以达到模型桩试验的要求；四是该装置更加真实的模拟了现实中的风浪情形而对模型桩进行试验，使得试验结果更加接近现实中的桩体情况。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明所述滑动块的结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例所述海上风浪动态加载试验装置的主体结构包括反力柱1、水平圆形轨道2、六自由度信息收集器3、变频电机4、滑动块5、模型箱6、底座7、信息处理器8、伺服电机9、信息传输器10、plc操作控制器11、油泵12和伺服加载控制器13，其中水平圆形轨道2、滑动块5、变频电机4组成水平圆形位移控制系统，伺服电机9、油泵12和伺服加载控制器13组成伺服加载系统，六自由度信息收集器3、信息处理器8、信息传输器10、数据线组成位移反馈信息系统，plc操作控制器11为控制系统，底座7中间安装模型箱6，底座7的四个角处竖向安装四根反力柱1，水平圆形轨道3水平安装在四根反力柱1之间上并与每根反力柱相切，水平圆形轨道2采用不锈钢制成的带轨道圆盘，滑动块5由滑轮14和固定块15构成，滑动块5的滑轮固定在水平圆形轨道2上，变频电机4的一端与伺服加载系统连接，另一端固定在滑动块5上，变频电机4带动滑动块5在水平圆形轨道2上运动，从而实现滑动块5的圆形运动，变频电机4带动滑动块运动的速度通过数据线传送到位移反馈信息系统，位移反馈信息系统将接收到的信息处理后传送给控制系统，控制系统根据实际试验需求对变频电机4的运动速度和运动轨迹进行调整；伺服电机9固定在滑动块5上，油泵12与伺服电机9管道连接，伺服加载控制器13安装在底座的一侧并通过数据线与油泵12连接，伺服加载控制器13根据试验所需的频率、频率、振幅、循环次数控制油泵12，油泵12通过油管控制伺服电机9，从而实现加载要求；信息传输器10通过数据线分别与控制系统和信息处理器8连接，信息处理器8通过数据线与六自由度信息收集器3连接，六自由度信息收集器3安装在水平圆形轨道2的正中间，模型桩在加载过程时，六自由度信息收集器8将收集到的桩体信息通过数据线传送给信息处理器8，信息处理器8将得到的信息进行处理通过数据线传给信息传输器10，信息传输器10将接收到的信息传送到plc操作控制器11，plc操作控制器11根据实际试验需求对变频电机4的运动速度和运动轨迹进行调整，并对各个系统的运动状态进行调整以达到模型桩试验的要求。
本实施例采用所述海上风浪动态加载试验装置模拟海上风浪下管桩试验的具体过程为：
(1)将变频电机4通过数据线与控制系统连接，打开控制系统检查变频电机4是否能在水平圆形轨道2上正常运行；然后将位移反馈信息系统中的六自由度信息收集器3、信息处理器8、信息传输器10通过数据线连接，启动位移反馈信息系统，检查各件是否工作正常；将油泵12通过油管与伺服电机9连接，再将伺服加载控制器13通过数据线与油泵12连接，打开伺服加载控制器13检查伺服加载系统是否工作正常；
(2)根据模型桩的位置确定伺服加载系统的位置，然后通过伺服加载控制器13将伺服电机9的加载杆对准模型桩的中心位置，确定加载时频率、振幅、循环次数并进行试验方案的确定，准备就绪后打开伺服电机9的开关进行模型桩的模拟试验；
(3)位移反馈信息系统实时进行检测模型桩桩体的位移变化，并将采集到的信息通过数据线传输到plc操作控制器11，plc操作控制器11对各个系统的运动状态进行调整实现伺服电机9加载时在模型桩的中心位置；
(4)当模型桩的模拟试验达到所规定的加载循环次数，或者符合模型桩桩体破坏条件时，plc操作控制器11发出停止试验指令，所有系统自动关闭，停止试验。
实施例2：
本实施例采用所述海上风浪动态加载试验装置模拟海上风浪下管桩试验的具体过程为：
(1)首先将变频电机4通过数据线与控制系统连接，打开控制系统检查变频电机4是否能在水平圆形轨道2上正常运行；
(2)然后将位移反馈信息系统中的六自由度信息收集器3、信息处理器8、信息传输器10通过数据线连接，启动位移反馈信息系统，检查各件是否工作正常；
(3)将油泵12通过油管与伺服电机9连接，再将伺服加载控制器13通过数据线与油泵12连接，打开伺服加载控制器13检查伺服加载系统是否工作正常；
(4)根据模型桩的沉桩位置，通过变频电机4调节并确定伺服加载系统的位置，然后通过伺服加载控制器13将伺服电机9的加载杆对准模型桩的中心位置，根据海上风浪的频率，循环荷载的振幅，循环次数以及试验所具备的条件确定加载时频率为10hz，循环荷载的振幅为8kn,循环次数为1000次，并且为单向循环，准备就绪后打开伺服电机9的开关，进行模型桩的模拟试验；
(5)位移反馈信息系统实时进行检测模型桩桩体的位移变化，并将采集到的信息通过数据线传输到plc操作控制器11，plc操作控制器11对各个系统的运动状态进行调整实现伺服电机9加载时在模型桩的中心位置；
(6)当模型桩的模拟试验达到所规定的加载循环次数，或者符合模型桩桩体破坏条件时，plc操作控制器11发出停止试验指令，所有系统自动关闭，停止试验。