CN111610144B - 一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，属于摩擦系数试验领域，包括①测量前准备；②试验重力式结构制作；③结构基础垫层块石级配、分选；④基槽抛填块石和整平；⑤架设、固定测力组件；⑥率定、调试测力系统；⑦安放结构于块石基础；⑧连接结构与测力系统牵引绳；⑨测量拉力，计算摩擦系数；⑩摩擦系数与标准值比对，判定是否合格；不合格，对重力式结构底部加糙措施处理补偿，重复第⑧～第⑩工作；合格，测量结束，开展稳定性试验。本发明构思巧妙、易操作，弥补受缩小试验比尺带来模型材料与原型不同的影响，这不仅保证试验精度，也大大提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于摩擦系数试验领域，涉及一种重力式结构即直立式沉箱、方块和护壁，以及斜坡式挡浪墙的防波堤或码头水工结构物等，实验室开展结构稳定性物理模型试验时，为保证试验准确性，使模型试验上制作的重力式结构底部摩擦系数k不小于设计标准规定的静摩擦系数0.6要求，开展测量、纠偏、调整措施系列校准验证工作，最终得到试验要求的结构底部摩擦系数k的试验模拟技术类，尤其涉及一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统。
背景技术
港口工程中，重力式结构主要形式表现为直立式沉箱、方块和护壁，以及斜坡式挡浪墙防波堤或码头结构。根据重力式结构特点，其自重及以上的填料重量和上部分各种荷载对地基产生压力，因此要求地基具有一定的强度，适用于水深较大、地基较好的情况，由基础、墙身、墙后回填和上部设备组成。近年来，随着港口建设规模的扩大，港口工程逐渐向深水发展，这也使得结构损坏越来越引起海岸工程界的关注。虽然近几十年来在波浪理论、防波堤设计方法等方面均有极大的发展，但由于海浪现象的随机性以及波浪—防波堤—地基相互作用的复杂性，港口工程结构的损坏事件在世界范围内仍不断发生。如 20 世纪 30年代初地中海沿岸热那亚等几个港口防波堤的毁灭性破坏、1978 年葡萄牙锡尼斯港深水防波堤严重破坏、日本接连不断的防波堤损坏事件以及我国一些港口工程的损坏。各种港口工程结构的破坏往往会带来十分严重的后果和经济损失。为了研究结构破坏的机理，提出有效防护方案，利用物理模型试验手段解决结构稳定性问题仍是现阶段最直接的技术手段，试验结果可直接为设计提供基础数据和技术指导。
对于重力式结构，在波浪水流和冰凌等水动力作用下，破坏的形式主要表现为：抛石基础被冲刷和坡脚压脚方块防护失稳，最终大部分重力结构发生倾覆或滑移，挡浪墙墙体发生沉陷和断裂失稳。由上述结构失稳的形态可知，失稳主要为结构底部与抛石基础之间的支撑丧失，因此开展结构稳定性物理模型试验研究时，正确模拟重力式结构底部与抛石基础摩擦力F(F=G*K,G为重重量，k为摩擦系数)，在保证G的条件下，摩擦系数k是试验结果准确的关键。
开展重力式结构稳定性试验，受缩尺效应影响，结构制作在试验材料上无法模拟与原体相同，得到结构底部摩擦系数，往往小于标准值，具体的，开展重力式结构稳定性试验，受试验场地的限制，试验中无法开展比尺为1:1模型试验，因此往往需要进行缩尺（例如1:10或者更小），在正确模拟结构重量和尺寸，以及抛石基础级配，却无法模拟模型上制作的重力式结构材料与原体（钢筋混凝土）相同，试验上往往采用木材或塑料板代替，这些代替材料与基础块石之间的摩擦系数，往往小于原体钢筋混凝土与基础抛石之间摩擦系数标准值，因此为了保证稳定性物理模型试验的精度，提出了一种新型的底部摩擦系数的测量方法，即采用新型测量方法的补偿系统，得出每次结构与基础块石之间的实测摩擦系数，将该结果均与标准值进行比较，若未达标，则通过对结构底部提出多种加糙的处理措施，直到满足标准值，从而保证了试验精度，并成功在试验水槽和港池模型试验中得到应用，很好的完成研究项目中的试验目的。
发明内容
本发明要解决的问题是在于提供一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，构思巧妙、易操作，这不仅保证试验精度，也大大提高了工作效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，包括以下步骤，
S1、试验重力式结构制作；由所确定的试验几何比尺，按照各物理量的相似关系，将原型结构尺寸和结构重量计算转化成模型试验值；
S2、结构底部基槽抛填块石；对回填的块石进行夯实和整平，夯实的块石表面平整度，通过自动安平水准仪，1.0km往返水准测量标准偏差达到0.3mm的水平；
S3、架设、固定测力装置组件；制作测力平台和架设牵引绳，安装牵引变频电机和定滑轮驱动系统；测力平台表面平整，同时高度与重力式结构的中心，以及与牵引的钢丝绳平行设置，变频电机设置低频、中频和高频三个档，满足不同重量结构的移动所需动力；
S4、率定、调试上述测力系统；采用标准砝码对测力系统中的拉力传感器进行标定，建立力与变形的关系式，标定过程中，始终保证牵引绳与拉力传感器平行设置，偏差在±2mm范围内；
S5、测量拉力，计算摩擦系数；设置测力系统的采集频率、采集时长，并开始采集；然后再启动驱动变频电机，并缓慢均匀增加电机的动力，通过自主开发显示器监测，实时观测沉箱的运动情况和测力系统所测得力随时间的变化关系，当沉箱由静止突然产生运动即力由最大突然减小瞬间，此时测力系统测得拉力为最大拉力Fmax，整个测量力随时间变化过程见附图3。利用最大拉力Fmax，以及公式
，计算得到第一次重力结构底部摩擦系数K1；
S6、摩擦系数K1与标准值比对，判定是否合格；若不合格，对结构底部进行不同措施加糙补偿处理，重复S5的工作，得出不同Ki，得出满足条件的补偿措施；若合格，测量结束，利用该重力式结构，开展实验室结构稳定性试验。
进一步的，在S1前，先执行步骤S11，进行测量前的准备，开挖基槽，为重力结构基础为暗基床试验准备；准备制作重力结构的材料，选用木材或塑料板，准备抛石基础用块石，块石的重量为1g～100g。
进一步的，在制作试验重力式结构的时候，进行基础垫层块石级配、分选，即步骤S12, 安装不同砂石孔径筛架，由上至下孔径逐渐减小的顺序，然后将所需分选的块石由最上层倒入分选筛中开始分选，筛选的实测结果与目标进行对比，形成分选后的级配曲线，满足试验块石与原体一致性。
进一步的，在步骤S3中，测力平台的规格为长×宽=0.2m×0.2m，所述牵引绳为钢丝绳，启动变频电机驱动重力式结构由静止产生运动。
进一步的，在步骤S4中，建立力与变形的关系式，得出K、C值，即关系式
式中，
代表力，对应砝码重量；
代表变形尺寸。
进一步的，在步骤S4和S5之间，进行以下步骤，S41、安放结构于基础；首先在平整的抛石基础表面，采用激光投线仪FF-41，其垂线精度 5m±1mm，水平线精度 5m±1mm，根据重力式结构的尺寸，将结构底部轮廓进行放样；并按照表1比尺关系计算得出试验重量G，对木制或塑料板材质重力结构进行配重，配置时保证试验重力结构与原体重心相同。然后利用实验室配置的龙门吊将制作完成的重力式结构吊至已经制作完成的块石基槽上方，再缓慢下移安放至激光投线仪构筑的激光轮廓线范围内。
进一步的，在步骤S4和S5之间，进行以下步骤S42，在步骤S41之后，连接结构与测力牵引绳，将牵引绳与重力式结构通过法兰在进行连接，连接完成后，进行各项检查，包括测量系统和连接结构。
进一步的，在步骤S6中，摩擦系数K不小于结构设计标准规定静摩擦系数0.6为合格。
进一步的，在步骤S6中，若不合格，采用7种底部加糙的措施，措施一设置0.05cm深、间隔5cm网格横道；措施二设置5～10cm宽、间隔5cm梅花桩；方式三分隔10～20cm均为粘2cm宽橡胶条；措施一和二组合；措施一和三组合；措施二和三组合；以及措施一、二、三联合组合。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
1、本发明测量方法构思巧妙、易操作，不仅保证试验精度，也大大提高了工作效率，对工程稳定性试验模拟技术产生了实质性的提升，可在其它类似工程模型试验中推广应用；
2、本发明通过制作重力式结构，抛石级配分选、基础块石回填，测力系统安装、率定、测试，实测摩擦系数与标准值比对校准，模型结构底部通过不同加糙补偿处理，弥补受缩小试验比尺带来模型材料与原型不同的影响，最终达到试验目的，满足试验精度，测量方法成功应用于稳定性试验；
3、本发明按照原型现场沉箱、护壁等重力结构施工要求，以及设计对结构安全考虑，计算结构滑移倾覆稳定时采用底部摩擦系数不小于0.6规定，而在实验室受缩尺效应的影响，结构与基床块石之间摩擦系数往往达不到0.6。所以，在结构稳定性试验开始前，为保证试验符合原体实际情况，通过测力装置实时测出摩擦系数结果，并比对标准值，针对实际情况，试验室提出了7种底部加糙补偿措施即措施一设置0.05cm深、间隔5cm网格横道；措施二设置5～10cm宽、间隔5cm梅花桩；措施三分隔10～20cm均为粘2cm宽橡胶条；措施一和二组合；措施一和三组合；措施二和三组合；以及措施一、二、三联合组合，通过多次校准调整的措施，最终满足试验要求。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
附图1是本发明新型一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统的工作流程图；
附图2是本发明模型上抛石基础块石级配曲线图；
附图3是本发明模型上测拉力随时间变化过程曲线图；
附图4是本发明一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统的实际使用过程图。
附图标记：
1、基槽；2、重力式结构；3、抛石基础；4、测力平台；5、牵引绳；6、电机驱动系统；7、定滑轮；8、测力系统；9、法兰。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1～图4所示，本发明一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，由12项工作组成，分别为：①测量前准备；②制作试验重力式结构；③基础垫层块石级配、分选；④基槽抛填块石；⑤架设、固定测力组件；⑥率定、调试测力系统；⑦安放结构于基础；⑧连接结构与测力牵引绳；⑨测量拉力，计算摩擦系数；⑩摩擦系数与标准值对比，判定是否合格；11不合格，对结构底部加糙处理补偿，重复第⑧～第⑩工作；12合格，测量结束，开展稳定性试验。整个测量方法流程见附图1。
（1）测量前准备：主要包括测量场地的准备，一般场地范围设置为长×宽=5.0m×10m，并在长方形场地中间开挖一个长×宽×高=1.0m×1.0m×0.2m基槽，可为重力结构基础为暗基床试验准备；同时购买制作重力结构的材料，优先选用木材或塑料板，以及抛石基础不同规格（1g～100g范围）块石；测力拉力传感器和测力采集系统。
（2）制作试验重力式结构：由所确定的试验比尺，按照各物理量的相似关系，将原型结构尺寸和重量计算转化成模型值，举例试验比尺为10时，各物理量之间比尺和大小换算结果，具体见表1。
表1模型各物理量比尺关系
（3）基础回填块石级配、分选：按照试验项目所提供的重力式结构设计图纸基础回填块石的级配曲线，在模型上对块石进行级配、分选，采用安装不同专用砂石孔径筛架，由上至下孔径逐渐减小的顺序，然后将所需分选的块石由最上层倒入分选筛中开始分选，筛选的实测结果将与目标进行对比，分选后的级配曲线见附图2。
（4）基槽抛填块石：将第（3）项工作分选好的块石抛填至第（1）项工作开挖好的基槽内，然后对回填的块石进行夯实和整平，夯实的块石表面平整度，通过DS03高精密自动安平水准仪，其1.0km往返水准测量标准偏差达到0.3mm的水平，测量块石表面的高程进行控制。
（5）架设、固定测力组件：根据开挖的基槽，距离0.5m位置，制作测力平台（长×宽=0.2m×0.2m）和架设牵引绳，以及安装变频电机和定滑轮驱动系统；为了保证测力结果，制作的测力平台需要保持表面平整，同时高度需要考虑与重力式结构的中心，以及与牵引的钢丝绳平行。牵引绳，为防止变形，采用细钢丝绳，另外电机驱动系统动力需足够大，从而保证在牵引力的作用下，能使重力式结构由静止产生运动，因此变频电机设置低频、中频和高频三个档。
（6）率定、调试测力系统：采用标准砝码对拉力传感器进行标定，建立力与变形的关系式，得出K、C值，即关系式
（式中，
代表力，对应砝码重量；
代表变形尺寸）。安装拉力传感器保证牵引绳与拉力传感器平行，偏差在±2mm范围内，防止受力不均，进而影响拉力结果，同时引出传感器数据采集线路，与采集便携式电脑进行直接连接，并检测和运行整个线路。
（7）结构安放于抛石基础：首先在平整的抛石基础表面，采用激光投线仪FF-41，其垂线精度 5m±1mm，水平线精度 5m±1mm，由表1比尺关系计算的结构尺寸，将结构底部轮廓进行放样；并按照表1计算得出试验重量G，对木制或塑料板材质重力结构进行配重，配置时保证试验重力结构与原体重心相同。然后利用实验室配置的龙门吊将制作完成的重力式结构吊至已经制作完成的块石基槽上方，再缓慢下移安放至激光投线仪构筑的激光轮廓线范围内。
（8）连接结构与测力绳：将牵引绳与重力式结构通过法兰在进行连接。连接完成后，进行各项检查，包括测量系统和连接结构等。
（9）测量拉力，计算摩擦系数：在第（8）项工作的基础上检测合格后，设置测力系统的采集频率、采集时长，并开始采集；然后再启动驱动变频电机，并缓慢、均匀增加电机的动力，此时通过自主开发显示器监测，实时观测沉箱的运动情况和测力系统所测得力随时间的变化关系，当沉箱由静止突然产生运动即力由最大突然减小瞬间，此时测力系统测得最大拉力Fmax为试验所需值，整个测量力随时间变化过程见附图3。利用最大拉力Fmax，以及公式
，计算得到第一次重力结构底部摩擦系数K1。
（10）将摩擦系数K1与标准值对比，通过摩擦系数Ki不小于标准规定0.6的要求，判定是否满足试验规程的规定。
（11）不合格即不满足试验要求，对结构底部加糙处理进行补偿，模型上在结构底部提出了7种加糙措施即措施一设置0.05cm深、间隔5cm网格横道；措施二设置5～10cm宽、间隔5cm梅花桩；措施三分隔10～20cm均为粘2cm宽橡胶条；措施一和二组合；措施一和三组合；措施二和三组合；以及措施一、二、三联合组合，再重复第（8）项～第（10）项工作。
（12）合格即满足试验要求，摩擦系数测量结束，利用校核完的重力式结构开展稳定性物理模型试验,实现重力式结构底部摩擦系数k测量方法过程见附图4。
校准重力式结构底部摩擦系数，整个工作流程为：首先在测量前，准备测量场地，并在场地中间开挖基槽1，期间准备制作重力结构材料，以及抛石基础不同规格的块石，按照确定试验比尺，采用表1各比尺关系，将原型结构尺寸和重量计算转化成模型值。制作试验重力式结构2，按照试验项目所提供的重力式结构设计图纸基础回填块石的级配曲线，模型上对块石进行分选，将分选后的块石回填至基槽内，并对回填块石进行夯实和整平，形成抛石基础3；同时回填基槽块石过程中，制作测力平台4和架设牵引绳5，以及安装电机驱动系统6和定滑轮7；然后安装拉力测量系统8，包括拉力传感器和力采集系统，测量前利用标准砝码对拉力传感器进行标定，建立力与变形的关系式，检测和运行整个测量线路，并调试；然后在平整的抛石基础表面，采用激光投线仪FF-41，按照结构的尺寸，将其底部轮廓进行放样，最后将重力式结构安放至轮廓内，采用法兰9将牵引绳与重力式结构进行连接，再次检测后各部正常后，开始力的采集，然后启动变频驱动电机，当沉箱由静止产生运动的瞬间，此时测的力为试验所得的拉力，计算摩擦系数
，将该摩擦系数与标准值对比，判定是否合格，若合格，则测量一次成功，摩擦系数测量结束，对校核完的重力式结构开展稳定性试验，若不合格，采用上述提出7种不同加糙措施对结构底部进行补偿处理，再次测量直到满足试验要求，本申请采用新型的结构底部摩擦系数校准系统，通过制作重力式结构，抛石级配分选、基础块石回填，测力系统安装、率定、测试，与标准比对校准，以及多种组合补偿措施处理，弥补受缩尺带来模型材料与原型不同影响，最终达到试验目的，满足试验精度，测量方法成功应用于稳定性试验。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，其特征在于：包括以下步骤，
S1、试验重力式结构制作；由所确定的试验几何比尺，按照各物理量的相似关系，将原型结构尺寸和结构重量计算转化成模型试验值；
S2、结构底部基槽抛填块石；对回填的块石进行夯实和整平，夯实的块石表面平整度，通过自动安平水准仪，1.0km往返水准测量标准偏差达到0.3mm的水平；
S3、架设、固定测力装置组件；制作测力平台和架设牵引绳，安装牵引变频电机和定滑轮驱动系统；测力平台表面平整，同时高度与重力式结构的中心，以及与牵引的钢丝绳平行设置，变频电机设置低频、中频和高频三个档，满足不同重量结构的移动所需动力；
S4、率定、调试上述测力系统；采用标准砝码对测力系统中的拉力传感器进行标定，建立力与变形的关系式，标定过程中，始终保证牵引绳与拉力传感器平行设置，偏差在±2mm范围内，包括以下步骤，S41、安放结构于基础；首先在平整的抛石基础表面，采用激光投线仪FF-41，其垂线精度 5m±1mm，水平线精度 5m±1mm，根据重力式结构的尺寸，将结构底部轮廓进行放样；并按照比尺关系计算得出试验重量G，对木制或塑料板材质重力结构进行配重，配置时保证试验重力结构与原体重心相同，然后利用实验室配置的龙门吊将制作完成的重力式结构吊至已经制作完成的块石基槽上方，再缓慢下移安放至激光投线仪构筑的激光轮廓线范围内；S42，连接结构与测力牵引绳，将牵引绳与重力式结构通过法兰在进行连接，连接完成后，进行各项检查，包括测量系统和连接结构；
比尺公式如下：
S5、测量拉力，计算摩擦系数；设置测力系统的采集频率、采集时长，并开始采集；然后再启动驱动变频电机，并缓慢均匀增加电机的动力，实时观测沉箱的运动情况和测力系统所测得力随时间的变化关系，当沉箱由静止突然产生运动即力由最大突然减小瞬间，此时测力系统测得拉力为最大拉力Fmax，利用最大拉力Fmax，以及公式
，计算得到第一次重力结构底部摩擦系数K1；
S6、摩擦系数K1与标准值比对，判定是否合格；若不合格，对结构底部进行不同措施加糙补偿处理，重复S5的工作，得出不同Ki，得出满足条件的补偿措施；若合格，测量结束，利用该重力式结构，开展实验室结构稳定性试验。
2.根据权利要求1所述的一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，其特征在于：在S1前，先执行步骤S11，进行测量前的准备，开挖基槽，为重力结构基础为暗基床试验准备；准备制作重力结构的材料，选用木材或塑料板，准备抛石基础用块石，块石的重量为1g～100g。
3.根据权利要求1所述的一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，其特征在于：在制作试验重力式结构的时候，进行基础垫层块石级配、分选，即步骤S12， 安装不同砂石孔径筛架，由上至下孔径逐渐减小的顺序，然后将所需分选的块石由最上层倒入分选筛中开始分选，筛选的实测结果与目标进行对比，形成分选后的级配曲线，满足试验块石与原体一致性。
4.根据权利要求1所述的一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，其特征在于：在步骤S3中，测力平台的规格为长×宽=0.2m×0.2m，所述牵引绳为钢丝绳，启动变频电机驱动重力式结构由静止产生运动。
5.根据权利要求1所述的一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，其特征在于：在步骤S4中，建立力与变形的关系式，得出K、C值，即关系式
式中，
代表力，对应砝码重量；
代表变形尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，其特征在于：在步骤S6中，摩擦系数K不小于结构设计标准规定静摩擦系数0.6为合格。
7.根据权利要求1所述的一种重力式结构稳定性试验底部摩擦系数校准系统，其特征在于：在步骤S6中，若不合格，采用7种底部加糙的措施即措施一设置0.05cm深、间隔5cm网格横道；措施二设置5～10cm宽、间隔5cm梅花桩；措施三分隔10～20cm均为粘2cm宽橡胶条；措施一和二组合；措施一和三组合；措施二和三组合；以及措施一、二、三联合组合。
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