CN104020007A - 一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验*** - Google Patents

Abstract

一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***，属于海洋结构动力实验技术领域。这种模拟试验***包括试验波流水槽、吸收式造波机装置、试验水循环装置、可调速滑车平台、地震模拟装置、双向流模拟装置和隔水密封装置。地震模拟装置的振动台体的上平面与试验波流水槽的底平面保持平齐，在振动台体上平面的周边与试验波流水槽的底平面之间设有所述隔水密封装置，吸收式造波机装置设置在试验波流水槽内的首端，双向流模拟装置的造流泵通过管道与首端均流箱和尾端均流箱连接。该***试验模拟功能齐全，可以模拟出海洋结构在各种荷载联合作用下的不同输入激励试验工况，地震、波浪、海流的试验模拟均为全数字控制，控制精度高、试验功能多样。

Description

一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***

技术领域

本发明涉及一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***，属于海洋结构动力实验技术领域。

背景技术

海上采油钻井平台、人工岛、港口、核电站等大型建筑物结构受到的主要荷载是海浪、潮流、地震、海冰以及强风暴等自然灾害。特别当上述灾害中的几种同时出现时，对大型结构的安全威胁更大，造成的灾害也更加严重；由于波浪、潮流、地震的复杂性，目前为止对上述结构的试验研究分别限制在水动力学试验即仅仅研究波、流对于水中结构的影响以及在普通试验台上进行抗震试验研究以解决大型结构在地震作用下的破坏现象以及机理的模拟等单项研究状态。显然，以上几种试验方法存在以下问题：

1、水中结构在地震荷载作用下不仅承受地震惯性力，而且在结构与水体的接触表面还有动水压力等附加荷载，传统的地震模拟设备不能解决地震时流固耦合的模拟问题。

2、无论是单独的水动力学试验还是地震模拟试验都不能解决海浪、潮流、地震等荷载对于结构的联合作用模拟问题，

3、在我国渤海湾周边，无论胜利、大港还是辽河油田，其海上钻井平台在冬季都有可能受到海冰的威胁，之前的试验手段中更缺少能实现波浪、潮流、地震以及海冰联合作用的模拟试验设备。

发明内容

为解决现有试验手段和技术中存在的问题，本发明提出一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***。该模拟试验***应能模拟海洋结构在各种荷载联合作用下的不同输入激励试验工况，地震、波浪、海流的试验模拟均为全数字控制，控制精度高、试验功能多样。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***，它包括试验波流水槽、吸收式造波机装置、试验水循环装置和可调速滑车平台，它还包括地震模拟装置、双向流模拟装置和隔水密封装置；所述试验波流水槽的首端下方设有首端均流箱，尾端下方设有尾端均流箱，在试验波流水槽上横跨一个可调速滑车平台，在试验波流水槽底部的中心位置设有地坑；所述地震模拟装置设置在地坑中，地震模拟装置的振动台体的上平面与试验波流水槽的底平面保持平齐，在振动台体上平面的周边与试验波流水槽的底平面之间设有所述隔水密封装置，位于地坑底部的集水坑中设有排水泵；所述吸收式造波机装置设置在试验波流水槽内的首端，在试验波流水槽内的首端和两侧设有直立式消能吸收网，尾端设有倾斜式消能吸收网；所述双向流模拟装置设置在试验波流水槽首端的一侧，双向流模拟装置的造流泵通过管道与首端均流箱和尾端均流箱连接；所述试验水循环装置设置在试验波流水槽尾端的一侧，位于循环水池中的潜流泵通过管道与试验波流水槽连接。

所述地震模拟装置采用液压驱动，控制电信号由三级伺服阀转换放大成液压信号，并控制振动台体侧面的水平作动器以及振动台体下方的竖向作动器振动，振动台体的下方正中位置设有一个静压支撑气囊，两侧设有侧向滑动支撑，在地坑内配有缓冲液压装置油压冲击的蓄能器。

所述吸收式造波机装置采用伺服电机通过滚珠丝杠在直线导轨上驱动造波推板。

所述双向流模拟装置的造流泵采用两个软接头通过管道分别与首端均流箱和尾端均流箱连接，在首端均流箱的上方设有与试验波流水槽连通的首端出流口和首端拦污栅, 在尾端均流箱的上方设有与试验波流水槽连通的尾端出流口和尾端拦污栅。

所述隔水密封装置把上层密封圈和下层密封圈叠加成双层环形密封结构，采用密封圈压板和密封螺丝把双层环形密封结构的內环边固定在振动台体的上周边上，双层环形密封结构的外环边固定在试验波流水槽的底面上。

本发明的有益效果是：这种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***包括试验波流水槽、吸收式造波机装置、试验水循环装置、可调速滑车平台、地震模拟装置、双向流模拟装置和隔水密封装置。地震模拟装置的振动台体的上平面与试验波流水槽的底平面保持平齐，在振动台体上平面的周边与试验波流水槽的底平面之间设有所述隔水密封装置，吸收式造波机装置设置在试验波流水槽内的首端，双向流模拟装置的造流泵通过管道与首端均流箱和尾端均流箱连接。该***试验模拟功能齐全，可以模拟出海洋结构在各种荷载联合作用下的不同输入激励试验工况，地震、波浪、海流的试验模拟均为全数字控制，控制精度高、试验功能多样。

附图说明

图1是一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***的结构俯视图。

图2是图1的C-C剖视图。

图3是图1的A-A剖视图。

图4是图1中B-B剖视图。

图5是图1中造流结构基础俯视图。

图6是图1中C-C断面结构图。

图中：1、地震模拟装置，1a、振动台体，1b、水平作动器，1c、竖向作动器，1d、试验波流水槽，1e、侧向滑动支撑，1f、模型固定螺孔，1g、水槽底板；1h、蓄能器，1i、回油箱，1j、回油泵，1k、盖板，1n、地坑，1m、静压支撑气囊；2、吸收式造波机，2a、直线导轨，2b、造波机基础，2c、伺服电机， 2d、造波推板，2e、直立式消能吸收网， 2f、倾斜式消能吸收网；3、双向流模拟装置，3a、调速电机，3b、造流泵，3c、尾端均流箱，3d、导流管，3e、集水坑，3f、软接头，3g、尾端出流口，3h、首端出流口，3i、首端拦污栅，3j、尾端拦污栅,3k、首端均流箱，3r、防渗板，3m、造流泵基础，3n、地脚螺栓预埋孔，3o、活动盖板, 3p、基础垫层，3q、造流洞室；4、隔水密封装置，4a、上层密封圈，4b、下层密封圈，4c、集水坑,4d、密封圈压板，4e、密封螺丝，4f、排水泵；5、试验水循环装置，5a、进水阀门，5b、排水阀门，5c、导流管，5d、潜流泵，5e、循环水池，5f、泵台；6、工作滑车平台，6a、直线导轨，6b、方钢垫板，6c、行走齿条，6d、行走驱动齿轮，6e、行走驱动电机，6f、减速机，6g，行走控制台，6h、行走车轮,6i、扶梯。 

具体实施方式

图1、2示出了一个模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***的结构图。图中，模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***包括试验波流水槽1d、吸收式造波机装置2、试验水循环装置5、可调速滑车平台6、地震模拟装置1、双向流模拟装置3和隔水密封装置4。试验波流水槽1d的首端下方设有首端均流箱3k，尾端下方设有尾端均流箱3c，在试验波流水槽1d上横跨一个可调速滑车平台6，在试验波流水槽1d底部的中心位置设有地坑1n。地震模拟装置1设置在地坑1n中，近似椭圆的振动台体1a的上平面与试验波流水槽1d的底平面保持平齐，在振动台体1a上平面的周边与试验波流水槽1d的底平面之间设有所述隔水密封装置4，位于地坑1n底部的集水坑4c中设有排水泵4f。吸收式造波机装置2设置在试验波流水槽1d内的首端，在试验波流水槽1d内的首端和两侧设有直立式消能吸收网2e，尾端设有倾斜式消能吸收网2f。双向流模拟装置3设置在试验波流水槽1d首端的一侧，双向流模拟装置3的造流泵3b通过管道与首端均流箱3k和尾端均流箱3c连接。试验水循环装置5设置在试验波流水槽1d尾端的一侧，位于循环水池5e中的潜流泵5d通过管道与试验波流水槽1d连接。

下面对电—液伺服地震模拟装置、吸收式造波机装置、双向流模拟装置、隔水密封装置、试验水循环装置、可调速滑车平台作分别介绍：

1. 电—液伺服地震模拟装置

图1、2示出了电—液伺服地震模拟装置。为能够进行水中结构的动力模型试验，在其周围建有试验波流水槽1d，结构模型可放置在水环境中间。地震模拟装置采用位移、速度、加速度三参量控制反馈方式实现振动台运动的电子数字控制；装置采用液压驱动，控制电信号由三级伺服阀转换放大成液压信号，并控制各作动器完成振动驱动。其水平作动器1b以及竖向作动器1c方向作动器置于装置中部的地坑1n内，完成工作的液压油由回油箱1i收集，液面自动控制单元控制回油泵1j回油至油压源；另有静压支撑气囊1m置于振动台体下方正中，在装置高荷载运行时承担台体以及模型重力或竖向静力荷载以保证竖向作动器1c有足够的动力输出；地坑内配有蓄能器1h以缓冲液压装置的油压冲击；为防止接触水体的台体表面金属部件锈蚀，振动台体1a、密封圈压板4d、水平作动器上方盖板1k以及全部固定螺栓等均采用410不锈钢材料制成。为保证装置工作油温，油压源配有冷却水循环装置，冷却水循环装置内安装有温度控制阀以保证冷却装置在油温高于警戒油温时方可启动，以避免由于冷却装置过早运行导致液压装置长期低温运行造成装置磨损。

2. 吸收式造波机装置

图1、2也示出了吸收式造波机装置。该装置采用伺服电机2c驱动滚珠丝杠带动推板式造波结构。造波机安装在试验波流水槽1d的首端，由造波推板2d、直线导轨2a内的滚珠丝杠、伺服电机2c、伺服电源、运动控制卡、A/D接口及计算机与外设等部分组成。

吸收式造波机配备二次反射波吸收装置；该装置在试验波流水槽1d首端采用直立式消能吸收网2e，尾端采用倾斜式消能吸收网2f，水槽两侧壁也布置有直立式消能吸收网2e，并以此消除水槽端壁产生的浪涌回波。

吸收式造波机造波机采用逼近式计算控制方式完成波浪谱迭代，以保证随机波浪模拟试验时产生的波浪谱与期望谱接近或一致。

3. 双向流模拟装置

图1、2也示出了双向流模拟装置。该装置采用1台造流泵3b配备双向变频电源，在水槽底部设置首端均流箱3k、尾端均流箱3c，其间由导流管3d、软接头3f连接构成环流通路，连接两端均流箱以及造流泵，可由计算机自动控制调速电机3a产生双向流场；亦可手动控制产生稳定流场。造流泵3b产生的正向水流经首端均流箱3k消除紊流，再通过首端出流口3h形成水槽内流场，水流经试验水槽流经尾端出流口3g进入尾端均流箱3c，经导流管3d返回造流泵3b形成闭合流场，或者反方向流动形成闭合流场；为防止杂物进入均流箱，在试验波流水槽1d的首、尾两端分别设置有首端拦污栅3i和尾端拦污栅3j；图3示出在首端均流箱3k与导流管3d连接部位设置防渗板3r，以防止箱内水体渗漏。调速电机、造流泵置于造流洞室3q内，通过地脚螺栓固定于图5所示造流泵基础3m上，为便于检修，造流洞室上方设置活动盖板3o，造流洞室3q内也设置有集水坑3e。

4. 隔水密封装置

图1、2示出了本联合试验模拟装置特有的隔水密封装置。该装置将试验波流水槽1d内水体与地坑内电器以及空间隔开，以保证地坑1n内蓄能器1h、水平作动器1b、竖向作动器1c、静压支撑气囊1m、回油泵1j、集水坑4c内的排水泵4f等装置工作在无水空间内。为保证隔水密封效果，本装置采用双层隔水密封圈方案。图6给出在振动台与周围槽体基础之间固定连接上层密封圈4a、下层密封圈4b的局部放大图，上层隔密封圈4a与下层隔密封圈4b均由密封圈压板4d、密封螺丝4e以及专用密封胶分别连接固定于振动台体1a与水槽底板1g之间，两层隔水密封圈均采用海洋橡胶材料制成，其抗拉裂强度高于20MPa，抗老化周期不小于10年，采用整体硫化熟制成型工艺，两层隔水密封圈间留有必要的间隙。

为保证在试验过程中两层隔水密封圈均出现破坏漏水的最不利情况下地坑1n内水位不会淹没水平作动器1b、竖向作动器1c上的伺服阀、静压支撑气囊1m气泵电控单元、回油泵1j以及控制单元等电器电路，在地坑内设有集水坑4c，坑内放置有排水泵4f，并配有水位控制单元，一旦集水坑4c内积水达到警戒水位，水位探测装置将开启潜流泵4f，将漏水泵出地坑并排入试验室排水装置，在集水坑4c内积水降低至安全水位下限以下时，水位探测装置将闭停排水泵4f，以保证试验装置正常运行工作。

5. 试验水循环装置

图1示出了本联合试验模拟装置特有的试验水循环装置。在实验室外建有一个地下储水循环水池5e，其一端用两根导流管5c经进水阀门5a、排水阀门5b与试验波流水槽1d相连，另一端进水管经潜流泵5d、排水管则直连于循环水池5e，为防止将循环水池5e中的沉淀泥沙等污物泵入试验波流水槽1d以及均流箱，潜流泵5d置于循环水池5e内的泵台5f之上。潜流泵流量应能保证水循环装置在合适的时间内将水注入水槽内并达到试验最高设定水位。

6. 可调速滑车平台

在图1、2所示的滑车平台采用齿轮齿条传动机构，在试验波流水槽1d二侧壁上各设置一条方钢垫板6b，在方钢垫板6b上各固定一个直线导轨6a，在两直线导轨6a侧面各固定一个行走齿条6c，行走驱动电机经减速机6f驱动与行走齿条6c啮合的行走驱动齿轮6d。在行走控制台6g上采用变频控制方式控制滑车平台行走方向与速度。滑车平台的主要作用有二：其一是方便试验人员在滑车平台上安放仪器并进行试验数据采集；其二，滑车平台利用可调速与调向功能拖曳模型冰以完成摸拟海冰对结构的动力挤压引起的冰振作用。试验人员通过扶梯6i上下滑车平台。

使用上述的地震、波浪、海流联合作用模拟试验***的工作方法包括以下步骤：

（a）安装、调试好试验模型

此环节应包括结构模型安装，输入地震波或者随机波控制迭代；进行试验波凑谱迭代等保证试验能够达到设定控制指标的前期准备工作；

（b）向模拟试验装置水槽中注入循环水

此工作是为向水槽引入试验水体进行准备，首先开启循环水进水阀门；同时应检查循环水排水阀门是否关闭以保证进水效率。然后开启循环水池中的潜流泵，在联合模拟试验装置水槽中水位到达试验设定高度时关闭循环水潜流泵并关闭循环水进水阀门；

（c）开启地震模拟装置电控单元以及液压单元，进行装置预热

液压装置工作温度高于室温，因此，需对振动台装置进行预热，同时，以低频位移信号使振动台装置缓慢运动以对电磁阀、侧向液压支撑等部件实施维护性运行，使装置充分预热。装置在充分预热后再进行正常工作，可以有益地延长其使用寿命；

（d）开启吸收式造波机以及开启双向流模拟装置电控单元

造波机与造流装置不需要预热运行，因此，可在水下振动台装置预热后开启电控单元；

（e）进行联动模拟试验开启地震、波浪、水流模拟试验的联动电子数字控制装置，正式开始联动试验，试验过程中应注意液压装置的油温，必要时启动其冷却装置保证油温恒定；

（f）关停地震、波浪、水流模拟试验装置

依次关闭地震模拟装置、双向流模拟装置、吸收式造波机装置的控制程序软件以及各电控单元；

（g）将联合模拟试验装置水槽中的水体送回地下储水池

开启循环水进、排水阀门，可利用试验水槽与循环水池间落差将试验水槽内水体放回循环水池。

Claims (5)

1.一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***，它包括试验波流水槽（1d）、吸收式造波机装置（2）、试验水循环装置（5）和可调速滑车平台（6），其特征在于：它还包括地震模拟装置（1）、双向流模拟装置（3）和隔水密封装置（4）；所述试验波流水槽（1d）的首端下方设有首端均流箱（3k），尾端下方设有尾端均流箱（3c），在试验波流水槽（1d）上横跨一个可调速滑车平台（6），在试验波流水槽（1d）底部的中心位置设有地坑（1n）；所述地震模拟装置（1）设置在地坑（1n）中，地震模拟装置（1）的振动台体（1a）的上平面与试验波流水槽（1d）的底平面保持平齐，在振动台体（1a）上平面的周边与试验波流水槽（1d）的底平面之间设有所述隔水密封装置（4），位于地坑（1n）底部的集水坑（4c）中设有排水泵（4f）；所述吸收式造波机装置（2）设置在试验波流水槽（1d）内的首端，在试验波流水槽（1d）内的首端和两侧设有直立式消能吸收网（2e），尾端设有倾斜式消能吸收网（2f）；所述双向流模拟装置（3）设置在试验波流水槽（1d）首端的一侧，双向流模拟装置（3）的造流泵（3b）通过管道与首端均流箱（3k）和尾端均流箱（3c）连接；所述试验水循环装置（5）设置在试验波流水槽（1d）尾端的一侧，位于循环水池（5e）中的潜流泵（5d）通过管道与试验波流水槽（1d）连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***，其特征在于：所述地震模拟装置（1）采用液压驱动，控制电信号由三级伺服阀转换放大成液压信号，并控制振动台体（1a）侧面的水平作动器（1b）以及振动台体（1a）下方的竖向作动器（1c）振动，振动台体（1a）的下方正中位置设有一个静压支撑气囊(1m)，两侧设有侧向滑动支撑(1e)，在地坑（1n）内配有缓冲液压装置油压冲击的蓄能器(1h)。

3.根据权利要求1所述的一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***，其特征在于：所述吸收式造波机装置（2）采用伺服电机(2c)通过滚珠丝杠在直线导轨(2a)上驱动造波推板(2d)。

4.根据权利要求1所述的一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***，其特征在于：所述双向流模拟装置（3）的造流泵（3b）采用两个软接头(3f)通过管道分别与首端均流箱（3k）和尾端均流箱（3c）连接，在首端均流箱（3k）的上方设有与试验波流水槽(1d)连通的首端出流口(3h)和首端拦污栅(3i), 在尾端均流箱（3c）的上方设有与试验波流水槽(1d)连通的尾端出流口(3g)和尾端拦污栅(3j)。

5.根据权利要求1所述的一种模拟地震、波浪、海流联合作用的大型模拟试验***，其特征在于：所述隔水密封装置（4）把上层密封圈（4a）和下层密封圈（4b）叠加成双层环形密封结构，采用密封圈压板（4d）和密封螺丝（4e）把双层环形密封结构的內环边固定在振动台体（1a）的上周边上，双层环形密封结构的外环边固定在试验波流水槽（1d）的底面上。