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）