测试海洋工程桩-土动力响应的多荷载耦合加载装置的设计与实现

2020-04-22胡瑞庚刘红军王兆耀

科学技术与工程 2020年7期

胡瑞庚，刘红军，2，3*, 王兆耀，于鹏

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院, 青岛 266100；2.山东省海洋环境地质工程重点实验室, 青岛 266100；3.海洋环境与生态教育部重点实验室，青岛 266100)

近年来，海洋工程获得迅速发展，桩基础在近海风机、近海钻井平台、港口码头、跨海大桥等海洋工程中的应用越来越广泛[1]。海洋工程桩基础工作环境复杂、受力形式多样，除了承受上部结构的自重荷载，同时受到风、波浪等水平循环荷载的长期作用[2]。此外，在港口码头、跨海大桥等领域，桩基础还受到上部来往车辆与移动工作机组产生的竖向循环荷载作用。码头结构在工作期间还会受到冰荷载及船的撞击荷载作用。多个循环荷载作用会引起桩周土体刚度弱化，导致安装在桩基础上方的支撑结构倾斜，从而影响上部结构的正常服役性能甚至失效破坏[3-5]，因此，开展多荷载耦合作用下海洋工程桩基础-土动力响应的研究十分必要。

由于海上环境复杂多变，对海洋工程桩基础进行现场循环加载试验较为困难，所以目前主要采用模型试验的方法对循环加载下桩基础-土的动力响应进行研究[1,3,6]。而开展此类模型试验的关键在于需要一套稳定可靠，且能输出频率和荷载可控的加载装置，常用的加载装置多为与作动器连接的伺服液压加载系统、高能激振器和离心模型机，海洋工程结构所受的风、波浪等水平循环荷载的频率为0.01～0.1 Hz[2]，一般伺服液压加载系统难以满足，而采用高能激振器和离心模型机价格昂贵，试验成本高昂。

鉴于以上循环加载模型试验的局限性，国内外学者对循环加载装置进行了相应的研究。Rovere等[7]、Roesen等[8]分别设计了一种用于吸力桶基础和桩基础的水平循环加载装置，能分别施加固定频率的单向、双向水平循环荷载，但带有电动机的水平杆一端与模型箱外壁铰接，两者之间的摩擦力影响施加荷载的特性。Zhu等[9]、孙永鑫[10]对Rovere设计的加载装置进行了改进，孙永鑫改进后装置的电动机不再与模型箱外壁铰接连接，而是装在平衡梁一端，平衡梁与固定支架采用刀口形式接触，提高了荷载施加的准确性。黄茂松等[11]、管友海等[12]设计了一种模拟长期循环荷载作用的试验系统，能同时施加水平、竖向循环荷载，但输出的水平和竖向循环荷载的幅值、频率相等，当两个方向的荷载同时施加时不能独立控制单个荷载的特性。王立忠等[13]采用与激振器连接的刚性连杆对模型钢管桩施加水平循环荷载，但在试验中需每隔一段时间断开连接杆测试模型的动力参数，操作烦琐，容易对桩周土体产生扰动。余璐庆等[14]对王立忠等[13]设计的加载装置进行了改进，采用齿轮系统施加循环荷载，能施加不同幅值和频率的简谐荷载，且操作简便。寇海磊等[15]设计了一种循环荷载作用下嵌岩钢管桩加载试验装置，通过与模型桩两侧连接的钢块砝码施加双向水平循环荷载，由于需人为放置砝码实现水平循环荷载的施加，测试精度低，加载次数有限，且不易控制加载频率。汪明元等[3]设计了一套适用于室内模型试验的水平循环荷载加载装置，装置可输出不同幅值和频率的单向、双向水平循环荷载，并利用该装置对单桩模型基础进行水平循环加载试验研究。

考虑到已有循环加载装置的缺点和不足，研制出测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合循环加载装置，该装置结合海洋工程桩基础全生命周期的受荷特点，能同时或分别施加水平循环荷载、水平冲击荷载和竖向循环荷载，能得到多荷载耦合作用下海洋工程桩基础动力响应及桩土相互作用导致的桩周土刚度弱化规律，对海洋工程桩基础的设计和维护具有重要意义。

1 多荷载耦合循环加载装置的研制

所要研制的多荷载耦合循环加载装置要尽可能完整地模拟海洋工程结构桩基础全生命周期的受荷状态，即风和波浪等水平循环荷载、上部来往车辆与移动工作机组产生的竖向循环荷载和海冰、船的撞击荷载，故装置需要具有同时装配的水平循环荷载加载装置、竖向循环荷载加载装置和水平冲击荷载加载装置。

研制的多荷载耦合循环加载装置如图1所示，它包括长方体模型箱、模型钢管桩、固定支架、水平循环荷载加载装置、竖向循环荷载加载装置和水平冲击荷载加载装置。其中长方体模型箱尺寸为：3 m×1.2 m×1.6 m(长×宽×高)，由角钢骨架和透明有机玻璃组成，角钢骨架的四面通过透明有机玻璃密封成型，模型箱内装填试验模拟的海床地基，海床地基底部为由砾石、PVC排水管、无纺土工布组成的20 cm厚的排水系统；模型钢管桩由无缝不锈钢材料加工而成，壁厚2.5 mm，埋置于海床地基顶端中部；固定支架由10 mm厚的角钢焊接而成，放置在平整地面上。

1.1 水平循环加载装置的工作原理

1.1.1 单向水平循环荷载

水平循环加载装置如图2所示，刻度盘与电动机Ⅰ的机身焊接连接，刚性转杆与电动机Ⅰ的转轴螺栓连接，刚性转杆、刚性连杆、滑块、铰接式接头组成对心曲柄滑块机构，滑块放置在水平循环加载导轨上，通过电动机Ⅰ转轴的转动带动对心曲柄滑块机构的运动实现水平循环荷载的施加。

假设电动机的输出功率为P，对于两相电动机，输出扭矩M[16]为

1为模型箱；2为排水系统；3为模型钢管桩；4为水平循环加载支架；5为水平加载钢环；6为定滑轮Ⅰ； 7为钢丝绳Ⅰ；8为力传感器；9为定滑轮Ⅱ；10为钢丝绳Ⅱ；11为砝码加载盘；12为位移传感器；13为水平循环加载板；14为弹簧Ⅰ；15为滑块；16为水平循环加载导轨；17为铰接式接头；18为刚性连杆；19为刚性转杆；20为转轴；21为电动机Ⅰ；22为刻度盘；23为电动机Ⅱ；24为变频调速器；25为转盘；26为绕线器；27为钢丝绳Ⅲ；28为定滑轮Ⅲ；29为竖向循环加载导轨；30为小车；31为定滑轮Ⅳ；32为钢丝绳Ⅳ；33为竖向循环上加载板；34为弹簧Ⅱ；35为竖向循环下加载板；36为卡扣；37为竖向循环加载支架；38为固定支架；39为钢丝绳Ⅴ；40为定滑轮Ⅴ；41为撞击杆；42为冲击加载斜导轨；43为拉杆；44为弹簧Ⅲ；45为转杆；46为滑轴；47为拉钩；48为联轴Ⅰ；49为联轴Ⅱ；50为冲击加载小车；51为冲击加载水平导轨；52为冲击荷载加载板；53为U形卡扣图1 多荷载耦合循环加载装置示意图Fig.1 Schematic of multi-load coupled cyclic loading device

图2 水平循环加载装置示意图Fig.2 Schematic of lateral cyclic loading device

(1)

式(1)中：n为电动机转速，r/s。假设电动机输出水平循环荷载的周期为T(s)，则加载频率f为

(2)

对心曲柄滑块的受力如图3所示。

图3 对心曲柄滑块的受力示意图Fig.3 Schematic of force condition of center crank slider

根据图3可得出以下关系：

Fh=Fcosφ

(3)

(4)

式中：F为刚性转杆与刚性连杆铰接点处的力，N；Fh为F沿x方向的分力，N；Ft为F沿与刚性转杆垂直方向的分力，N；θ为刚性转杆的转角(°)；φ为刚性连杆与x轴正方向的夹角，(°)；

将式(4)代入式(3)可得：

(5)

对心曲柄滑块机构一般L>>4r(r为刚性转杆的长度)，这时φ趋近于0[17]，式(5)可写为

(6)

电动机的输出扭矩M为[18]

M=Ftr

(7)

联立式(1)、式(7)可得:

(8)

将式(8)代入式(6)得：

(9)

式中：ω为刚性转杆转动的角频率，rad/s;t为刚性转杆转动的时间，s。

图4 滑块-弹簧系统受力示意图Fig.4 Force diagram of slider-spring system

图5 系统输出的水平作用力随θ的变化曲线Fig.5 The curve of system-output horizontal force with θ

根据式(9)和图5，保持电动机Ⅰ的转速n不变，改变转杆与连杆的连接长度可实现在同一加载频率下，施加不同幅值的水平循环荷载。

同时调节n和r且满足nr=常数，可以在相同荷载幅值下施加不同频率的水平循环荷载。

1.1.2 双向水平循环荷载

图6 双向循环加载示意图Fig. 6 Schematic of two-way cyclic loading

图8 水平冲击荷载加载装置示意图Fig.8 Schematic of horizontal impact loading device

由式(9)及图5可得，当转杆转至θ=45°位置时，滑块-弹簧系统输出的水平作用力为

(10)

(11)

图7 系统输出的水平作用力F″h随θ的变化曲线Fig.7 The curve of system-output horizontal force F″h with θ

1.2 水平冲击荷载加载装置的工作原理

水平冲击荷载加载装置如图8所示。

由图8可以看出，自动撞击脱钩器的拉钩与小车相连，拉杆与钢丝绳Ⅴ相连并绕过定滑轮Ⅴ与转盘上的绕线器相连。启动电动机Ⅱ，转盘带动绕线器转动，连接在绕线器上的钢丝绳Ⅴ通过自动撞击脱钩器带动小车沿倾角为θ的导轨向上运动，此时自动脱钩器的转杆在弹簧Ⅲ的作用下处于垂直状态，拉钩末端A位于拉杆上的联轴Ⅱ与滑轴之间，使拉钩卡住固定，当转杆运动至撞击杆处，转杆与撞击杆发生碰撞，转杆克服弹簧Ⅲ的弹力并绕联轴Ⅱ顺时针转动，滑轴向拉钩顶端B滑动，带动拉钩绕联轴Ⅰ顺时针转动，使小车脱钩。小车脱钩后沿倾角为θ的导轨向下运动，进入水平导轨，撞击安装在模型桩上的加载板，实现水平冲击荷载的施加。

假设模型桩为弹性体，端部为固定约束，则模型桩受冲击荷载时的受力示意图可简化为图9。

图9 模型桩受冲击荷载过程的简化示意图Fig.9 Simplified schematic of impact loading process of model Pile

假设杆为弹性体，在杆的变形过程中，积蓄在杆内的应变能Vε为

(12)

式(12)中：Fd为小球对杆的冲击力，N。

根据横向集中力作用下悬臂梁挠度的计算公式[19]，可得杆在C点的冲击位移为Δd为

(13)

式(13)中：h为小球冲击点距地面的距离，m；EI为杆的抗弯刚度，Pa·m4。

由式(12)、式(13)可得：

(14)

由弹性体的功能原理，在弹性体变形过程中，积蓄在弹性体内的应变能Vε在数值上等于外力所做的功W[19]，即：

(15)

由式(15)可得：

(16)

(17)

水平冲击荷载作用下的动荷因数Kd为

(18)

水平冲击荷载Fd为

(19)

要利用式(19)求得小车的水平冲击力Fd，需要求出小车冲击模型桩时的速度v，图10为小车冲击模型桩前的运动示意图。

图10 小车运动示意图Fig.10 Schematic of trolley movement

如图10所示，小车在电动机的输出力FT作用下，由A处静止状态运动至B处，撞击脱钩器在B处被撞击杆撞击脱钩，小车沿倾角为θ的斜面向下运动，进去水平导轨以速度v在C处冲击模型桩，假设导轨光滑，小车由A处运动至B处所需时间为t，则小车在A→B→C的运动过程中满足：

(20)

式(20)中：η为电动机的机械效率。

由式(20)求出小车的冲击速度，并代入式(19)得水平冲击荷载Fd为

(21)

1.3 竖向循环荷载加载装置的工作原理

装置可利用与电动机相连的钢丝绳Ⅲ带动小车沿导轨运动，引起与加载板相连的弹簧Ⅱ伸长或压缩，对模型桩施加竖向循环荷载，加载装置见图11。

图11 竖向循环加载装置示意图Fig.11 Schematic of vertical cyclic loading device

1.3.1 竖向受拉循环荷载

装置竖向受拉循环加载示意如图11、图12所示，钢丝绳Ⅲ绕过定滑轮Ⅴ与电动机Ⅱ相连，钢丝绳Ⅳ绕过定滑轮Ⅳ与弹簧Ⅱ及加载板相连，加载板通过卡扣与模型桩相连。

图12 竖向循环加载原理示意图Fig.12 Work principle diagram of vertical cyclic loading device

由式(1)、式(7)可得钢丝绳Ⅲ中的拉力Fr为

(22)

转盘通过钢丝绳Ⅲ带动小车在导轨上的BC间运动，通过调整钢丝绳Ⅲ的长度使小车处于B点，转盘上的D点位于刻度盘0°位置时，弹簧Ⅱ处于原长状态，则小车在BC间运动时，弹簧Ⅱ处于伸长状态，启动电动机，保持电动机Ⅱ的n和r不变，弹簧Ⅱ通过与模型桩卡扣连接的下加载板施加竖向受拉循环荷载，所施加竖向作用力(沿y轴向上为正)的变化曲线见图13。

图13 系统输出的竖向作用力FY随θ的变化曲线Fig.13 The curve of system-output vertical force FY with θ

图13中系统输出的竖向作用力最大值FY,max通过式(23)计算：

FY,max=Ft=kΔxmax

(23)

式(23)中：k为弹簧刚度系数，N/m; Δxmax为弹簧最大变形量，mm。

1.3.2 竖向受压循环荷载

将上加载板换成质量为m的质量块，且满足mg>Ft，转盘通过钢丝绳Ⅲ带动小车在导轨上的CB间运动，通过调整钢丝绳Ⅲ的长度使小车处于C点，转盘上的D点位于刻度盘180°位置时，弹簧处于原长状态，则小车在CB间运动时，弹簧Ⅲ处于压缩状态，启动电动机Ⅱ，保持电动机Ⅱ的n和r不变，弹簧Ⅱ通过与模型桩卡扣连接的下加载板施加竖向受压循环荷载，所施加竖向作用力F′Y(沿Y轴向上为正)的变化曲线见图14。