[发明专利]一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法，包括桶形基础、风机塔架、质量块、延伸推力杆、低频电磁激振器、激振器固定架、力传感器、法兰连接盘、土压力传感器、孔隙水压力传感器、加速度传感器、应变片、耗能材料、排水管、试验铁箱、角钢肋条、钢板加劲肋、加载架、功率放大器、扫频信号发生器、动态采集仪、计算机。该装置由荷载加载部分和桶形基础部分组成，以实现竖向动刚度和竖向动阻尼的测量。利用低频激振器进行加载，通过测量土体的作用力与位移算得桶基的动刚度。通过在质量块处施加竖向初始位移，测量衰减曲线求得桶基的动阻尼。本发明可以准确地研究桶基的竖向初始动阻抗及其影响因素，为进一步研究打下基础。

技术领域

本发明属于本发明属于海上风机发电技术领域，尤其涉及一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法。

背景技术

随着煤炭、石油等不可再生能源日渐减少，以及化石能源使用所带来的环境问题日益突出，很多国家开始积极探索和开发可再生能源。作为可再生能源的代表，海上风能因其具有节约土地资源、风能平稳、无噪音、无污染等特点成为了新能源开发的的研究重点。

海上风机的超大直径薄壁桶基一般指的是直径远大于常见桩基础及吸力锚基础，直径达数十米(最大已经达到30m)，且桶基壁厚的厚径比远小于0.1的桶形基础。如2002年丹麦的Frederikshavn风电场中，首次使用了直径12m，厚径比0.002的超大直径薄壁桶形基础。特别是随着海上风电开发所遇水深的不断增大，从海上石油平台导管架结构演变而来的，适应水深范围更广、承载力更大的三脚架及四脚导管架基础也不断被应用到风机的基础中，吸力桶基础作为这些“多足”支撑结构的每个“脚”形成多桶基础，通过反向的竖向反力抵抗倾覆弯矩。

对于深海浮式风机和多桶基础的风机，风机在实际运行时，上部结构受到风、浪、流、地震波等侧向荷载的作用，最终外部荷载以竖向循环荷载的形式传递到桶基上，这些环境荷载的频率和风机自振频率很接近，容易导致风机发生共振破坏。除此之外，最易引起风机结构共振的荷载产生于风机叶片的转动，转动会产生两种频率的荷载：①偏心荷载，由于涡轮机和叶片的质心往往与转轴有一定的偏移(叶片变形也会产生质心偏移)，风轮转动会产生偏心力，其频率与转动频率相等，称1P频率；②在叶片转动过程中，由于叶面重力引起的载荷，随风轮转动循环施加。该荷载的频率为叶片数乘上风轮的转动频率，一般的三叶片风机的穿越频率称为3P频率。为了避免发生共振，工程设计中需要让风机结构整体的第一阶自振频率避开1P频率、3P频率和外部环境荷载的频率。同时为了保证安全，DNV(DNV-DETNORSKE VERITAS，挪威船级社)规范要求在1P和3P频带上预留10％的安全度。这样可供风机安全运行的频率段实际上极为狭窄。因此风机在正常运行期间自振特性的精确研究是保障风机在正常使用期间安全运行的关键，甚至被有些学者称为最关键的部分。

根据高等结构动力学中多自由度线性系统振动方程，结构的振动特征取决于作用在结构上的外力、结构的质量、刚度和阻尼。特别是在计算深海浮式风机和近海多桶基础的海上风机自振特性时，桶基受到的主要是竖向荷载，基础的竖向动阻抗对自振特性有着至关重要的影响。

目前在风机设计时，正常运行状态下桶基的竖向动阻抗还无规可依，一般用的是通过试验得到竖向静刚度，或者采用API(American Petroleum Institute美国石油协会)及DNV规范推荐的T-Z曲线进行近似计算。由于静刚度是在静荷载作用下得到的，而T-Z曲线则是通过细长桩基静力极限承载力试验得到的，因此通过这样计算得到的结果显然不精确。同时随着风机正常运行，外部荷载的循环施加，桶基的动阻抗会出现变化，风机的自振频率也发生变化。有学者研究了循环荷载下桶形基础风机的自振频率和系统阻尼的变化规律，但是为能准确得到桶基动阻抗，仍需要深入研究桶基动阻抗的产生机理及影响因素。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种桶基竖向初始动阻抗试验装置及试验方法。通过该试验装置和试验方法，可以准确地研究桶基的竖向初始动阻抗及其影响因素。