阅读说明：本技术 模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置及方法 (Pile group loading test device and method for simulating high-speed rail bridge operation load ) 是由 陈耀春 王新国 吴文兵 姚赵田 余兴胜 李波 柏华军 秦寰宇 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置及方法,该装置包括模型组件、加载系统、控制系统以及数据采集系统；模型组件包括模型箱、承台以及多个模型桩,承台设置于模型箱中,模型桩固定在承台下方且下部通过试验土样埋置于模型箱中；加载系统包括水平反力架和伺服电动缸,伺服电动缸固定在水平反力架上；控制系统包括PLC控制器、伺服驱动器以及上位机PC,上位机PC用于对PLC控制器进行编程,伺服驱动器用于根据PLC控制器的相关指令控制伺服电动缸对所述承台施加相应的荷载；数据采集系统包括位移传感器、应变片以及应变仪,位移传感器安装在承台上,应变片布置在各模型桩内部。本发明制作较为简单、加载方便、准确性高,可控范围较广。(The invention provides a grouped pile loading test device and a method for simulating high-speed rail bridge operation load, wherein the device comprises a model assembly, a loading system, a control system and a data acquisition system; the model assembly comprises a model box, a bearing platform and a plurality of model piles, wherein the bearing platform is arranged in the model box, the model piles are fixed below the bearing platform, and the lower parts of the model piles are embedded in the model box through test soil samples; the loading system comprises a horizontal reaction frame and a servo electric cylinder, and the servo electric cylinder is fixed on the horizontal reaction frame; the control system comprises a PLC (programmable logic controller), a servo driver and an upper computer PC (personal computer), wherein the upper computer PC is used for programming the PLC, and the servo driver is used for controlling the servo electric cylinder to apply corresponding load to the bearing platform according to related instructions of the PLC; the data acquisition system comprises a displacement sensor, strain gauges and strain gauges, wherein the displacement sensor is installed on the bearing platform, and the strain gauges are arranged inside each model pile. The invention has the advantages of simple manufacture, convenient loading, high accuracy and wider controllable range.)

模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置及方法

技术领域

本发明涉及桩基工程的模型试验技术领域，尤其涉及一种模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置及方法。

背景技术

近年来随着我国高速铁路技术迅猛发展，为了给高速列车的平稳高速运行提供保障，高速铁路桥梁所占比例达50%～60%。新建高速铁路桥梁绝大部分采用的是群桩基础，由于高速铁路对基础的承载特性要求很高，如何保证高速列车通行时群桩基础的稳定性是工程界十分关注的问题。高铁桥梁群桩基础不仅受到上部结构自重的作用，同时还承受车辆动力荷载的作用，而列车动荷载与一般动力机器基础的动荷载和地震荷载存在着显著差异，因此研究高速铁路运营荷载作用下桥梁群桩基础的动力特性变得十分有必要。现阶段，室内模型试验是研究桥梁群桩基础动力特性的重要手段之一，然而现有相关的模型试验加载装置只能施加简单的动态变化荷载，无法真实有效地模拟高速铁路运营荷载的实际振动特性。因此，研究出一种能够真实有效地模拟高速铁路桥梁运营荷载的群桩加载装置具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以较为真实的模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置及方法。

本发明是这样实现的：

一方面，本发明提供一种模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置，包括模型组件、加载系统、控制系统以及数据采集系统；

所述模型组件包括模型箱、承台以及多个模型桩，所述承台设置于所述模型箱中，多个所述模型桩均固定在所述承台下方且下部通过试验土样埋置于所述模型箱中；

所述加载系统包括水平反力架和伺服电动缸，所述水平反力架安装在所述模型箱的顶端，所述伺服电动缸固定在所述水平反力架上，所述伺服电动缸的活塞杆的前端与所述承台的上表面抵接；

所述控制系统包括PLC控制器、伺服驱动器以及上位机PC，所述上位机PC与所述PLC控制器电连接，所述PLC控制器与所述伺服驱动器电连接，所述伺服驱动器与所述伺服电动缸电连接，所述上位机PC用于对所述PLC控制器进行编程以输入用于模拟高铁桥梁运营荷载的不同的静态波和正弦波的叠加波形和频率，所述伺服驱动器用于根据所述PLC控制器的相关指令控制所述伺服电动缸对所述承台施加相应的荷载；

所述数据采集系统包括位移传感器、应变片以及应变仪，所述位移传感器安装在所述承台上，所述应变片具有多个且布置在各所述模型桩内部，所述位移传感器以及各所述应变片均与所述应变仪连接，所述应变仪与数据处理计算机连接。

进一步地，还包括设置于所述伺服电动缸的活塞杆以及所述承台之间的压力传感器，所述压力传感器与所述伺服驱动器电连接，所述压力传感器用于测量承台实际受到的荷载信号并反馈给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器用于根据所述压力传感器反馈的信号调节伺服电动缸施加给承台的荷载。

进一步地，所述水平反力架与所述模型箱可拆卸连接。

进一步地，所述压力传感器固定于所述伺服电动缸的活塞杆的前端或者固定于所述承台的上表面且与所述伺服电动缸的活塞杆垂直接触。

进一步地，所述模型桩为空心的金属管，所述应变片粘贴于所述模型桩的内壁上，所述模型桩的上部设置有用于供所述应变片的导线穿出的圆孔。

进一步地，所述模型桩包括两个半圆桩，两个半圆桩的顶部和底部均设有相对的固定孔，通过螺栓穿过相对的两个固定孔将两个半圆桩连接闭合。

进一步地，所述应变片的表面涂抹有硅胶。

另一方面，本发明还提供一种上述的模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置的加载试验方法，包括以下步骤：

（1）根据实际高铁桥梁运营荷载的振动特征通过上位机PC对PLC控制器进行编程，以输入用于模拟高铁桥梁运营荷载的静态波和正弦波的叠加波形和频率；

（2）伺服驱动器接收PLC控制器的相关指令并驱动伺服电动缸对承台施加荷载；

（3）压力传感器将测得的承台实际受到的荷载信号反馈给伺服驱动器，伺服驱动器根据反馈的信号调节伺服电动缸施加给承台的荷载；

（4）加载试验过程中，位移传感器、应变片以及应变仪实时采集相应的数据并传递给数据处理计算机。

进一步地，所述步骤（1）中，采用静态波和三组动态的正弦波叠加的激振力函数来模拟实际高铁桥梁运营荷载的振动特性，其函数形式为：

式中F(t)为高铁桥梁实际运营荷载，P_O为桥梁上部结构自重，P₁、P₂、P₃分别为三组正弦波的振动幅值，ω₁、ω₂、ω₃分别为三组正弦波的振动频率。

进一步地，在上位机PC中对荷载的加载量、维持时间、加载装置的开关进行人为控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置及方法，该装置制作较为简单、加载方便、准确性高，同时可以根据不同的实际试验需求通过上位机PC对PLC进行不同的编程处理，输入各种不同振动幅值和振动频率的动态荷载，其可控范围较广；该装置在桩身内部粘贴应变片，可以更好的保护应变片和提高贴片成功率，所测得的轴力数据更加准确；采用静态波和三组动态的正弦波叠加的激振力函数来模拟高速铁路实际运营荷载的振动特性，能够更加真实地模拟出高速铁路桥梁桩基础在实际运营荷载下的受力特性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置的主视图；

图2为本发明实施例提供的一种模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置的俯视图；

图3为本发明实施例提供的应变片的布置方式示意图。

附图标记说明：1、伺服电动缸；2、水平反力架；3、竖向反力架；4、位移传感器；5、承台；6、模型桩；7、模型箱；8、压力传感器；9、伺服驱动器；10、PLC控制器；11、应变仪；12、上位机PC；13、应变片；14、固定孔；15、圆孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置，包括模型组件、加载系统、控制系统以及数据采集系统。

所述模型组件包括模型箱7、承台5以及多个模型桩6，所述模型箱7为由钢板和型钢焊接而成的长方体箱型结构，所述承台5设置于所述模型箱7中靠上部中间位置，多个所述模型桩6均通过螺栓固定在所述承台5下方且下部通过试验土样埋置于所述模型箱7中，模型桩6的数量根据所模拟的群桩设计方案来确定。

所述加载系统包括水平反力架2和伺服电动缸1，所述水平反力架2安装在所述模型箱7的顶端，优选地，所述水平反力架2与所述模型箱7可拆卸连接，具体还可包括设置于模型箱7***的竖向反力架3，水平反力架2通过螺栓紧固在竖向反力架3上部，水平反力架2为矩形的钢框结构，通过拆卸水平反力架2上的螺栓即可卸下水平反力架2，从而方便埋设模型桩6和填土。所述伺服电动缸1通过螺栓固定在所述水平反力架2上，所述伺服电动缸1的活塞杆的前端与所述承台5的上表面抵接，通过伸缩伺服电动缸1前段活塞杆可以实现对承台5和模型桩6构成的群桩基础施加竖向荷载。

所述控制系统包括PLC控制器10、伺服驱动器9以及上位机PC 12，所述上位机PC12与所述PLC控制器10电连接，所述PLC控制器10与所述伺服驱动器9电连接，所述伺服驱动器9与所述伺服电动缸1电连接，所述上位机PC 12用于对所述PLC控制器10进行编程以输入用于模拟高铁桥梁运营荷载的不同的静态波和正弦波的叠加波形和频率，所述伺服驱动器9用于根据所述PLC控制器10的相关指令控制所述伺服电动缸1对所述承台5施加相应的荷载，同时也可以检测出输出的推力值和伺服电动缸1前端活塞杆的行进距离，并反馈给上位机PC 12。同时PLC控制器10采用上位机PC 12 作为上位机控制单元，在上位机PC 12 中可以对加载量、维持时间、加载装置的开关等选项进行人为控制。

所述数据采集系统包括位移传感器4、应变片13以及应变仪11，所述位移传感器4安装在所述承台5上，用于测量动态荷载下的模型桩6桩顶位移，所述应变片13具有多个且布置在各所述模型桩6内部，用于测量模型桩6桩身在竖向动态荷载下的轴力分布，所述位移传感器4以及各所述应变片13均与所述应变仪11连接，所述应变仪11与数据处理计算机连接，用于将采集的数据传输给所述数据处理计算机以进行保存和查看，具体的，数据处理计算机可以直接采用上述上位机PC 12。

本发明实施例提供的这种模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置及方法，该装置制作较为简单、加载方便、准确性高，同时可以根据不同的实际试验需求通过上位机PC对PLC进行不同的编程处理，输入各种不同振动幅值和振动频率的动态荷载，其可控范围较广。

作为上述实施例的优选，还包括设置于所述伺服电动缸1的活塞杆以及所述承台5之间的压力传感器8，具体地，所述压力传感器8固定于所述伺服电动缸1的活塞杆的前端或者固定于所述承台5的上表面且与所述伺服电动缸1的活塞杆垂直接触，所述压力传感器8与所述伺服驱动器9电连接，所述压力传感器8用于测量承台5实际受到的荷载信号并反馈给所述伺服驱动器9，所述伺服驱动器9用于根据所述压力传感器8反馈的信号伺服电动缸1施加给承台的荷载，以确保加载的精度。

为了更好地保护应变片13和提高贴片成功率，该装置选择在模型桩6内部粘贴应变片13。具体地，所述模型桩6为空心的金属管，具体可以为铝合金管或者钢管，所述应变片13粘贴于所述模型桩6的内壁上，所述模型桩6的上部设置有用于供所述应变片13的导线穿出的相对的两个圆孔15，方便导线的引出。进一步优选地，所述模型桩6包括两个半圆桩，两个半圆桩的顶部和底部一定位置处设有相对的固定孔14，通过螺栓穿过相对的两个固定孔14将两个半圆桩连接闭合。具体地，首先将模型桩6利用激光沿中线切割成两个半圆桩，然后在两个半圆桩内壁利用AB胶对称的粘贴应变片13，同时在应变片13表面涂抹硅胶用于应变防潮及保护处理，应变片13粘贴完成后将导线从模型桩6上端的圆孔15穿孔而出，最后使用螺栓和螺母穿过固定孔14将两个半圆桩进行闭合。

本发明实施例还提供一种上述的模拟高铁桥梁运营荷载的群桩加载试验装置的加载试验方法，包括以下步骤：

（1）根据实际高铁桥梁运营荷载的振动特征通过上位机PC 12对PLC控制器10进行编程，以输入用于模拟高铁桥梁运营荷载的静态波和正弦波的叠加波形和频率；

（2）伺服驱动器9接收PLC控制器10的相关指令并驱动伺服电动缸1对承台5施加荷载；

（3）压力传感器8将测得的承台5实际受到的荷载信号反馈给伺服驱动器9，伺服驱动器9根据反馈的信号调节伺服电动缸1施加给承台5的荷载；

（4）加载试验过程中，位移传感器4、应变片13以及应变仪11实时采集相应的数据并传递给数据处理计算机。

优选地，所述步骤（1）中，采用静态波和三组动态的正弦波叠加的激振力函数来模拟实际高铁桥梁运营荷载的振动特性，其函数形式为：

式中F(t)为高铁桥梁实际运营荷载，P_O为桥梁上部结构自重，P₁、P₂、P₃分别为三组正弦波的振动幅值，ω₁、ω₂、ω₃分别为三组正弦波的振动频率。

通过采用静态波和三组动态的正弦波叠加的激振力函数来模拟高速铁路实际运营荷载的振动特性，能够更加真实地模拟出高速铁路桥梁桩基础在实际运营荷载下的受力特性。

进一步地，在上位机PC 12中对荷载的加载量、维持时间、加载装置的开关等选项进行人为控制，提高控制的精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。