水中高耸结构物智能平衡装置
作者:吉文俊、王东民、李雅丽、侍智坤、齐纪 水利系
指导老师:于玉贞 水利系 (黑体小四 两端对齐)
关键词:水中建筑平衡 荷载响应 自动控制
摘要
海上高耸结构物受水平荷载和弯矩的作用易于失稳,目前主要靠加固基础的方式来抵抗水平荷载和弯矩。本项目拟研制能够主动抵抗荷载的智能平衡装置,通过智能调节的方式进行荷载平衡,从而提高结构承载力的发挥程度,避免过度的基础设计,降低结构物的建造成本。为研究该设计在实际工程中的可行性,首先需要进行模型实验研究。模型抵抗浪荷载和风荷载的装置主要有:水面下的吸/喷水舱(水泵)与水面上的滑块系统。前者主要进行力的平衡,后者主要进行力矩的平衡。通过模型实验,可以研究得到荷载平衡的规律,从而可以添加控制装置,实现响应荷载的自动控制系统。
研究背景
海洋工程面临着:海洋资源种类丰富,其开发利用迫在眉睫;海洋动力环境恶劣,地质条件复杂;海面下结构物所受荷载情况复杂,需保证结构稳定和安全;荷载种类多,形式复杂;峰值高,要求基础的固有承载力足够大;变化幅度大,大部分承载力在大多数时候未被充分利用等诸多难题。海洋工程中广泛使用单桩基础,其结构形式简单,受力明确,施工速度快,但为保证结构物的稳定性和安全,常需要增加桩结构重量,极大增加不必要的建设成本。
图1 常见海上建筑物基础型式
本项目拟研制能够主动抵抗波浪荷载和风荷载的智能平衡装置,其优势在于:一种主动抵抗浪荷载和风荷载的智能平衡装置;根据荷载状况调节抵抗荷载的能力,提高结构承载力发挥程度;避免过度的基础设计,降低海上结构物的建造成本;适应恶劣施工条件、深海和快速施工情况;抵消循环往复荷载,避免地基失稳。
装置简介
本发明所涉及的平衡装置可与多种已有的基础形式联合使用,下面以与单桩基础联合使用为例进行说明。智能平衡装置安装在风机塔筒上,主要包括: 喷水装置:喷水舱、吸水舱、水泵以平衡力荷载;配重梁系统:配重车等以抵消弯矩荷载。
图2 复合桩结构设计图
图3 滑块系统及配重梁详图
模型简化
由于疫情等客观条件的限制,本项目的进展受到了较大的影响。我们根据实际情况,对模型设计进行了一定的简化调整。该模型主要由水箱、弹簧、圆筒、微型喷泉泵(水管)、吹风机、上部结构物(泡沫板)几部分组成。用圆筒模拟单桩,通过吹风机吹上部的泡沫板模拟风荷载,弹簧用来放大荷载的作用,简化模型仅先考虑一维的风荷载,用微型喷泉泵来实现力的平衡。
图4 装置力学原理简述
图5 简化模型设计图
图6 简化模型实物图
初期实验主要通过改变风荷载强度观察套筒偏移量,随后通过控制水泵进口处的转阀开度,可使套筒重新竖直平衡,进而增加结构物稳定性,保证建筑物安全。后续工作将从以下六步展开:将上部风荷载替换为浪荷载进行实验;进行风荷载、浪荷载的协同实验;将喷水装置改为配重梁装置,进行类似实验;进行喷水装置与配重梁装置共同工作的实验;逐步加入监测系统(装备风压传感器等)与智能控制装置;取工程中的相关设备和环境参数进行实验,使模型更加贴近工程实际。
图7 不同风载下套筒偏移量
图8 风载产生器功率P1情况下套筒偏移量
图9 实验结果图(左:未喷水;右:喷水)