水中高聳結構物智能平衡裝置
作者：吉文俊、王東民、李雅麗、侍智坤、齊紀 水利系
指導老師：于玉貞 水利系 （黑體小四 兩端對齊）
關鍵詞：水中建筑平衡 荷載響應 自動控制
摘要
海上高聳結構物受水平荷載和彎矩的作用易于失穩(wěn)，目前主要靠加固基礎的方式來抵抗水平荷載和彎矩。本項目擬研制能夠主動抵抗荷載的智能平衡裝置，通過智能調(diào)節(jié)的方式進行荷載平衡，從而提高結構承載力的發(fā)揮程度，避免過度的基礎設計，降低結構物的建造成本。為研究該設計在實際工程中的可行性，首先需要進行模型實驗研究。模型抵抗浪荷載和風荷載的裝置主要有：水面下的吸/噴水艙（水泵）與水面上的滑塊系統(tǒng)。前者主要進行力的平衡，后者主要進行力矩的平衡。通過模型實驗，可以研究得到荷載平衡的規(guī)律，從而可以添加控制裝置，實現(xiàn)響應荷載的自動控制系統(tǒng)。
研究背景
海洋工程面臨著：海洋資源種類豐富，其開發(fā)利用迫在眉睫；海洋動力環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復雜；海面下結構物所受荷載情況復雜，需保證結構穩(wěn)定和安全；荷載種類多，形式復雜；峰值高，要求基礎的固有承載力足夠大；變化幅度大，大部分承載力在大多數(shù)時候未被充分利用等諸多難題。海洋工程中廣泛使用單樁基礎，其結構形式簡單，受力明確，施工速度快，但為保證結構物的穩(wěn)定性和安全，常需要增加樁結構重量，極大增加不必要的建設成本。
圖1 常見海上建筑物基礎型式
本項目擬研制能夠主動抵抗波浪荷載和風荷載的智能平衡裝置，其優(yōu)勢在于：一種主動抵抗浪荷載和風荷載的智能平衡裝置；根據(jù)荷載狀況調(diào)節(jié)抵抗荷載的能力，提高結構承載力發(fā)揮程度；避免過度的基礎設計，降低海上結構物的建造成本；適應惡劣施工條件、深海和快速施工情況；抵消循環(huán)往復荷載，避免地基失穩(wěn)。
裝置簡介
本發(fā)明所涉及的平衡裝置可與多種已有的基礎形式聯(lián)合使用，下面以與單樁基礎聯(lián)合使用為例進行說明。智能平衡裝置安裝在風機塔筒上，主要包括： 噴水裝置：噴水艙、吸水艙、水泵以平衡力荷載；配重梁系統(tǒng)：配重車等以抵消彎矩荷載。
圖2 復合樁結構設計圖
圖3 滑塊系統(tǒng)及配重梁詳圖
模型簡化
由于疫情等客觀條件的限制，本項目的進展受到了較大的影響。我們根據(jù)實際情況，對模型設計進行了一定的簡化調(diào)整。該模型主要由水箱、彈簧、圓筒、微型噴泉泵（水管）、吹風機、上部結構物（泡沫板）幾部分組成。用圓筒模擬單樁，通過吹風機吹上部的泡沫板模擬風荷載，彈簧用來放大荷載的作用，簡化模型僅先考慮一維的風荷載，用微型噴泉泵來實現(xiàn)力的平衡。
圖4 裝置力學原理簡述
圖5 簡化模型設計圖
圖6 簡化模型實物圖
初期實驗主要通過改變風荷載強度觀察套筒偏移量，隨后通過控制水泵進口處的轉(zhuǎn)閥開度，可使套筒重新豎直平衡，進而增加結構物穩(wěn)定性，保證建筑物安全。后續(xù)工作將從以下六步展開：將上部風荷載替換為浪荷載進行實驗；進行風荷載、浪荷載的協(xié)同實驗；將噴水裝置改為配重梁裝置，進行類似實驗；進行噴水裝置與配重梁裝置共同工作的實驗；逐步加入監(jiān)測系統(tǒng)（裝備風壓傳感器等）與智能控制裝置；取工程中的相關設備和環(huán)境參數(shù)進行實驗，使模型更加貼近工程實際。
圖7 不同風載下套筒偏移量
圖8 風載產(chǎn)生器功率P1情況下套筒偏移量
圖9 實驗結果圖（左：未噴水；右：噴水）
