水中高聳結(jié)構(gòu)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(dǎo)老師:于玉貞 水利系 (黑體小四 兩端對齊)
關(guān)鍵詞:水中建筑平衡 荷載響應(yīng) 自動控制
摘要
海上高聳結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(jié)構(gòu)承載力的發(fā)揮程度,避免過度的基礎(chǔ)設(shè)計,降低結(jié)構(gòu)物的建造成本。為研究該設(shè)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(yīng)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(fù)雜;海面下結(jié)構(gòu)物所受荷載情況復(fù)雜,需保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全;荷載種類多,形式復(fù)雜;峰值高,要求基礎(chǔ)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(chǔ),其結(jié)構(gòu)形式簡單,受力明確,施工速度快,但為保證結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和安全,常需要增加樁結(jié)構(gòu)重量,極大增加不必要的建設(shè)成本。
圖1 常見海上建筑物基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)承載力發(fā)揮程度;避免過度的基礎(chǔ)設(shè)計,降低海上結(jié)構(gòu)物的建造成本;適應(yīng)惡劣施工條件、深海和快速施工情況;抵消循環(huán)往復(fù)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(chǔ)形式聯(lián)合使用,下面以與單樁基礎(chǔ)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(fù)合樁結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(xué)原理簡述
圖5 簡化模型設(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)設(shè)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(jié)果圖(左:未噴水;右:噴水)