技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于建筑用試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種樁承高聳結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)動(dòng)力加載裝置。
背景技術(shù)：
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隨著我國(guó)工程技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的高聳結(jié)構(gòu)，高聳結(jié)構(gòu)指的是高度較大、橫斷面相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)形式多為樁基，其服役期間不僅承受豎向荷載，水平荷載亦是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)是研究樁承高聳結(jié)構(gòu)物，但是由于周期長(zhǎng)、試驗(yàn)投入大、影響因素多等缺點(diǎn)，開(kāi)展較為困難，所以室內(nèi)模型試驗(yàn)現(xiàn)已成為研究樁承高聳結(jié)構(gòu)物受力性能的重要技術(shù)手段。加載系統(tǒng)是模型試驗(yàn)中不可或缺的重要組成部分，為樁基提供貫入動(dòng)力和服役期間的荷載。傳統(tǒng)的加載方式大多忽略了荷載的空間變異性，將荷載集中施加在一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，只可單獨(dú)施加某一方向的循環(huán)荷載，不能真實(shí)的的模擬樁基服役期間的荷載情況，并且需要反力架提供加載反力。反力架靈活性小、加載方向單一、占地面積大、操作復(fù)雜，為模型試驗(yàn)的開(kāi)展增加了難度，降低了準(zhǔn)確性。因此，有必要開(kāi)發(fā)和研制一種樁承高聳結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)動(dòng)力加載裝置，為模型試驗(yàn)節(jié)省占地空間，提供豎向加載和360度實(shí)時(shí)可變的水平循環(huán)加載，模擬多種荷載的耦合作用，更加真實(shí)的模擬樁體受載荷情況。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供一種樁承高聳結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)動(dòng)力加載裝置，該裝置包括軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置和齒輪豎向動(dòng)力加載裝置，其中豎向加載裝置產(chǎn)生的動(dòng)力可使樁體按照試驗(yàn)要求貫入到指定位置，水平動(dòng)力加載裝置可同時(shí)安裝1個(gè)至多個(gè)，模擬不同方向、不同加載頻率，實(shí)現(xiàn)不同特征多個(gè)水平荷載的耦合，為真實(shí)模擬樁承高聳結(jié)構(gòu)物的受荷情況提供可能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)由軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置和齒輪豎向動(dòng)力加載裝置安裝在塔架上構(gòu)成，塔架模擬上部高聳結(jié)構(gòu)物，軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置包括主動(dòng)施力齒輪、被動(dòng)施力齒輪、質(zhì)量塊、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪、調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)、數(shù)控環(huán)形軌道和夾板式托盤(pán)，結(jié)構(gòu)相同的主動(dòng)施力齒輪和被動(dòng)施力齒輪相互咬合組成施力齒輪副，主動(dòng)施力齒輪和被動(dòng)施力齒輪上對(duì)稱式分別安裝有一個(gè)質(zhì)量塊，傳動(dòng)齒輪與主動(dòng)施力齒輪相互咬合，施力齒輪副和傳動(dòng)齒輪組成齒輪組；調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)包括微型電機(jī)、高強(qiáng)度合金箱、數(shù)顯調(diào)速器和電源，電源與微型電機(jī)相連，微型電機(jī)放置在高強(qiáng)度合金箱內(nèi)并置于齒輪組的下方，微型電機(jī)與傳動(dòng)軸咬合，微型電機(jī)與數(shù)顯調(diào)速器相連用于控制轉(zhuǎn)速，數(shù)顯調(diào)速器上顯示的數(shù)字與微型電機(jī)的速比比值為電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω；數(shù)控環(huán)形軌道包括環(huán)形軌道、滑動(dòng)云臺(tái)、軌道鋰電池和觸屏控制器，軌道鋰電池和觸屏控制器分別與環(huán)形軌道相連，齒輪組和調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)放置在滑動(dòng)云臺(tái)上，滑動(dòng)云臺(tái)置于環(huán)形軌道上；夾板式托盤(pán)的上部與數(shù)控環(huán)形軌道剛性連接，并用螺栓和螺母固定安裝在塔架上；齒輪豎向動(dòng)力加載裝置包括施力齒輪副、質(zhì)量塊、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)和柱形托盤(pán)，其中施力齒輪副、質(zhì)量塊、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)均與軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置相同；柱形托盤(pán)替換滑動(dòng)云臺(tái)、環(huán)形軌道和夾板式托盤(pán)，齒輪組和調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)豎直安裝在柱形托盤(pán)。
本發(fā)明所述主動(dòng)施力齒輪和被動(dòng)施力齒輪的基圓半徑均為6cm，齒頂高為1cm，齒數(shù)為36齒，主動(dòng)施力齒輪帶動(dòng)被動(dòng)施力齒輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明所述質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)半徑為4cm，其重心與所在齒輪的重心不重疊，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)行會(huì)給齒輪施加一個(gè)離心力，與齒輪施加給質(zhì)量塊的向心力等大反向，將此向心力分解到x軸和y軸方向上，x方向力相互抵消，y軸方向力相互疊加，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量塊的質(zhì)量相同時(shí)，x軸方向合力為零，只剩y軸相互疊加的力fy＝2mrω2sinθ，能通過(guò)改變質(zhì)量塊m的大小和轉(zhuǎn)速ω的大小來(lái)改變施加的動(dòng)力大小，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力加載大小的可變性，其中θ為向心力與x方向力的夾角。
本發(fā)明所述傳動(dòng)齒輪的基圓半徑為3cm，齒頂高為1cm，齒數(shù)為9齒，與主動(dòng)施力齒輪相互咬合，并由傳動(dòng)軸提供旋轉(zhuǎn)力從而帶動(dòng)主動(dòng)施力齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明所述數(shù)控環(huán)形軌道的環(huán)形軌道半徑為20cm，觸屏控制器根據(jù)真實(shí)荷載的特征預(yù)先設(shè)定好云臺(tái)滑動(dòng)的軌跡和停留的位置以及停留的時(shí)間，且控制界面原理簡(jiǎn)單、操作方便；滑動(dòng)云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω最快可以達(dá)到1轉(zhuǎn)/6秒，最慢可以達(dá)到1轉(zhuǎn)/60天，可模擬的荷載范圍較大。
本發(fā)明所述塔架為外徑120mm、壁厚5mm的空心鋼管，能與外部模型樁頂部螺紋連接。
本發(fā)明所述柱形托盤(pán)外徑為120mm，壁厚5mm，能與塔架頂部螺紋連接，為樁基提供貫入的豎向動(dòng)力以及服役期間的豎向荷載。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是節(jié)省了傳統(tǒng)加載裝置反力架的安裝，成本低廉，空間占用面積小，場(chǎng)地靈活性大，易于操作；二是調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)所需施加的力計(jì)算出轉(zhuǎn)速，由數(shù)顯控制器控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，所施加的循環(huán)荷載較為穩(wěn)定；三是水平動(dòng)力加載裝置的齒輪組可實(shí)時(shí)在數(shù)控環(huán)形軌道上360度旋轉(zhuǎn)，克服了傳統(tǒng)加載桿只能單獨(dú)施加在某一方向循環(huán)荷載的弊端，可更加真實(shí)有效的模擬風(fēng)荷載、浪荷載等空間變異性大的荷載；四是軌道式水平動(dòng)力加載裝置在塔架上的安裝不受個(gè)數(shù)和位置的限制，滑動(dòng)云臺(tái)在環(huán)形軌道上的位置亦可分別控制，可有效模擬不同特征、不同方向水平荷載的耦合作用；五是豎向動(dòng)力加載裝置施加的豎向荷載可與水平荷載進(jìn)行耦合，為樁承高聳結(jié)構(gòu)物提供實(shí)時(shí)可變的三維荷載；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，占地空間小，能提供豎向加載和360度實(shí)時(shí)可變的水平循環(huán)加載，模擬多種荷載的耦合作用，更加真實(shí)的模擬樁承高聳結(jié)構(gòu)物受載荷情況。
附圖說(shuō)明：
圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2為本發(fā)明所述調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)和數(shù)控環(huán)形軌道局部示意圖。
圖3為本發(fā)明所述齒輪組的施力原理圖。
具體實(shí)施方式：
下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例：
本實(shí)施例的主體結(jié)構(gòu)由軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置和齒輪豎向動(dòng)力加載裝置安裝在塔架10上構(gòu)成，軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置包括主動(dòng)施力齒輪1、被動(dòng)施力齒輪2、質(zhì)量塊3、傳動(dòng)軸4、傳動(dòng)齒輪5、調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)6、數(shù)控環(huán)形軌道7和夾板式托盤(pán)8，結(jié)構(gòu)相同的主動(dòng)施力齒輪1和被動(dòng)施力齒輪2相互咬合組成施力齒輪副，主動(dòng)施力齒輪1和被動(dòng)施力齒輪2上對(duì)稱式分別安裝有一個(gè)質(zhì)量塊3，傳動(dòng)齒輪5與主動(dòng)施力齒輪1相互咬合，施力齒輪副和傳動(dòng)齒輪5組成齒輪組；調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)6包括微型電機(jī)11、高強(qiáng)度合金箱12、數(shù)顯調(diào)速器13和電源14，電源14與微型電機(jī)11相連，微型電機(jī)11放置在高強(qiáng)度合金箱12內(nèi)并置于齒輪組的下方并與傳動(dòng)軸4咬合，微型電機(jī)11與數(shù)顯調(diào)速器13相連用于控制轉(zhuǎn)速，數(shù)顯調(diào)速器13上顯示的數(shù)字與微型電機(jī)11的速比比值為電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω；數(shù)控環(huán)形軌道7包括環(huán)形軌道15、滑動(dòng)云臺(tái)16、軌道鋰電池17和觸屏控制器18，軌道鋰電池17和觸屏控制器18分別與環(huán)形軌道15相連，齒輪組和調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)6放置在滑動(dòng)云臺(tái)16上，滑動(dòng)云臺(tái)16置于環(huán)形軌道15上；夾板式托盤(pán)8的上部與數(shù)控環(huán)形軌道7剛性連接，并用螺栓和螺母固定安裝在塔架10上；齒輪豎向動(dòng)力加載裝置包括施力齒輪副、質(zhì)量塊、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)和柱形托盤(pán)9，其中施力齒輪副、質(zhì)量塊、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)均與軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置相同；柱形托盤(pán)9替換滑動(dòng)云臺(tái)16、環(huán)形軌道15和夾板式托盤(pán)8，齒輪組和調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)6豎直安裝在柱形托盤(pán)9。
本實(shí)施例所述主動(dòng)施力齒輪1和被動(dòng)施力齒輪2的基圓半徑均為6cm，齒頂高為1cm，齒數(shù)采用36齒，主動(dòng)施力齒輪1帶動(dòng)被動(dòng)施力齒輪2同速轉(zhuǎn)動(dòng)。
本實(shí)施例所述質(zhì)量塊3的旋轉(zhuǎn)半徑為4cm，其重心與所在齒輪的重心不重疊，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)行會(huì)給齒輪施加一個(gè)離心力，與齒輪施加給質(zhì)量塊3的向心力等大反向，將此向心力分解到x軸和y軸方向上，x方向力相互抵消，y軸方向力相互疊加，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量塊的質(zhì)量相同時(shí)，x軸方向合力為零，只剩y軸相互疊加的力fy＝2mrω2sinθ，可以通過(guò)改變質(zhì)量塊m的大小和轉(zhuǎn)速ω的大小來(lái)改變施加的動(dòng)力大小，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力加載大小的可變性，其中θ為向心力與x方向力的夾角。
本實(shí)施例所述傳動(dòng)齒輪5的基圓半徑為3cm，齒頂高為1cm，齒數(shù)采用9齒，與主動(dòng)施力齒輪1相互咬合，并由傳動(dòng)軸4提供旋轉(zhuǎn)力從而帶動(dòng)主動(dòng)施力齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)。
本實(shí)施例所述數(shù)控環(huán)形軌道的環(huán)形軌道半徑為20cm，觸屏控制器18根據(jù)真實(shí)荷載的特征預(yù)先設(shè)定好云臺(tái)滑動(dòng)16的軌跡和停留的位置以及停留的時(shí)間，且控制界面原理簡(jiǎn)單、操作方便；滑動(dòng)云臺(tái)16的轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω最快可以達(dá)到1轉(zhuǎn)/6秒，最慢可以達(dá)到1轉(zhuǎn)/60天，可模擬的荷載范圍較大。
本實(shí)施例所述塔架10為外徑120mm、壁厚5mm的空心鋼管，可與外部模型樁頂部螺紋連接。
本實(shí)施例所述柱形托盤(pán)9外徑為120mm，壁厚5mm，可與塔架10頂部螺紋連接，為樁基提供貫入的豎向動(dòng)力以及服役期間的豎向荷載。
本實(shí)施例所述樁承高聳結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)動(dòng)力加載裝置用于施工時(shí)包括以下五個(gè)步驟：
(1)多自由度動(dòng)力加載裝置的生產(chǎn)制作：按照尺寸和個(gè)數(shù)要求，批量制作施力齒輪副和傳動(dòng)齒輪5，將施力齒輪副和傳動(dòng)齒輪5按照要求安裝在調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)6上，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸4與傳動(dòng)齒輪5的咬合、傳動(dòng)齒輪5與主動(dòng)施力齒輪1的咬合、主動(dòng)施力齒輪1和被動(dòng)施力齒輪2的咬合，在主動(dòng)施力齒輪1和被動(dòng)施力齒輪2的對(duì)稱位置安裝質(zhì)量塊3；將齒輪組和調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)6安裝在柱形托盤(pán)9上制成齒輪豎向動(dòng)力加載裝置；將齒輪組和調(diào)速電機(jī)加載系統(tǒng)6安裝在數(shù)控環(huán)形軌道7上，再與夾板式托盤(pán)8剛性連接，制成軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置。
(2)試驗(yàn)準(zhǔn)備：將齒輪豎向動(dòng)力加載裝置安裝在塔架10的頂部，將軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置按照模擬的荷載特征安裝在塔架10的不同位置處，將塔架10安裝在模型樁的頂部位置，模型樁固定在已裝好砂土的模型槽的指定位置處；
(3)樁體貫入：?jiǎn)?dòng)齒輪豎向動(dòng)力加載裝置，按照試驗(yàn)要求將樁體貫入到砂土中進(jìn)行沉樁；
(4)載荷試驗(yàn)：沉樁結(jié)束后，啟動(dòng)軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置，按照所模擬荷載的特征，設(shè)定軌道式齒輪水平動(dòng)力加載裝置的齒輪組位置、運(yùn)行軌跡、齒輪的轉(zhuǎn)速，同時(shí)重新設(shè)置齒輪豎向動(dòng)力加載裝置的轉(zhuǎn)速，真實(shí)有效的模擬樁承高聳結(jié)構(gòu)物不同荷載的耦合作用。