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原文传递基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤及沉桩方法

专利名称：	基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤及沉桩方法
摘要：	本发明公开了基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤，包括辐射变形装置、旋转轴、驱动装置和底座，所述辐射变形装置包括辐射变形条和依次连接的电源、整流电路和电磁波发射器；本发明还公开了基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤的沉桩方法，可以让振动桩锤达到工作频率前都没有偏心激振力，而振动桩锤达到工作频率时才逐渐产生偏心激振力使桩沉入土中。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江科技学院
发明人：	金炜枫;马永航;陈荣忠;曲晨;曹宇春;黄扬飞
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-05T00:00:00+0800
申请号：	CN201910691958.2
公开号：	CN110409443A
代理机构：	杭州赛科专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	付建中
分类号：	E02D7/18(2006.01);E;E02;E02D;E02D7
申请人地址：	310023 浙江省杭州市西湖区留和路318号
主权项：	1.基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤，其特征在于：包括辐射变形装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述辐射变形装置包括辐射变形条和依次连接的电源、整流电路和电磁波发射器；辐射变形条在电磁波辐射下可发生变形且质心位置发生改变，辐射变形条在电磁波辐射结束后恢复原状或质心恢复至初始位置；辐射变形条固定在旋转轴上，驱动装置与旋转轴连接且驱动旋转轴旋转，驱动装置和底座固定连接。 2.根据权利要求1所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤，其特征在于：辐射变形条的结构为涂覆有电磁波吸收涂料的变形条，所述电磁波吸收涂料受电磁波辐射后发热，变形条为热膨胀率不同的两层板粘结叠合而成，所述粘结叠合的两层板加热后因热膨胀率不同而发生翘曲，从而改变辐射变形条的质心,辐射变形条不受热时恢复初始形状且辐射变形条的质心在旋转轴中心；或者辐射变形条为均质单一材料，均质单一材料在电磁波辐射时发生变形，且电磁波停止辐射时恢复原状；或者辐射变形条的结构为依次连接的第一杆、第一变形节点、第二杆、第二变形节点、第三杆，所述第一变形节点为包含固液态转换材料的柔性封闭管，第一变形节点和第二变形节点结构相同，第二杆与旋转轴固定连接。 3.根据权利要求2所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤，其特征在于：所述电磁波发射器为磁控管且发射微波时，所述电磁波吸收涂料为铁氧体，或铁氧体与碳纤维复合掺杂而成，或铁氧体与石墨复合掺杂而成；或者电磁波发射器发射紫外线时，柔性封闭管可透射紫外线，固液态转换材料在紫外线作用下由固态变为液态。 4.根据权利要求1所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤，其特征在于：所述辐射变形条外罩有保温壳，保温壳底部和底座连接，旋转轴穿过保温壳旋转；电源、整流电路和电磁波发射器安放在保温壳内；保温壳配有空调冷气泵，保温壳上开有冷却输入孔和冷却输出孔，空调冷气泵产生的冷气由冷却输入孔输入再由冷却输出孔输出；保温壳的材料为含有气泡的陶瓷，且保温壳内壁涂有二氧化钛，含有气泡的陶瓷可以起到隔热作用，内壁的二氧化钛涂层可以反射热辐射，这样可以加速辐射变形条的升温过程；保温壳内气体只能通过冷却输入孔和冷却输出孔和外界空气进行流通。 5.根据权利要求1所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤，其特征在于：振动桩锤配有平衡微调结构；所述平衡微调结构包括圆盘和第一质心位置调节器和第二质心位置调节器；第一质心位置调节器和第二质心位置调节器相互呈90度角固定在圆盘上。 6.根据权利要求1所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤，其特征在于：第一质心位置调节器包含第一封闭片、第二封闭片、圆管、磁致伸缩杆、质量块、弹簧、线圈和质心微调电源，所述第一封闭片、弹簧、质量块、磁致伸缩杆和第二封闭片依次连接且位于圆管内部，弹簧与第一封闭片固定连接，磁致伸缩杆和第二封闭片固定连接，质量块可以在圆管内滑动，所述第一封闭片和第二封闭片分别与圆管固定连接，所述线圈缠绕在圆管外部，线圈与质心微调电源连接；第二质心位置调节器和第一质心位置调节器的结构相同；圆盘固定在旋转轴上；质心微调电源没有对线圈通电时，圆盘、第一质心位置调节器和第二质心位置调节器的总质心在旋转轴中心；安放圆管时，圆管内的弹簧比磁致伸缩杆更接近旋转轴中心。 7.根据权利要求1所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤，其特征在于：在底座上固定安装加速度传感器，所述加速度传感器为双向加速度传感器，可以同时测量水平和竖向的加速度。 8.根据权利要求1-7任一项所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤的沉桩方法，其特征在于：包括下述步骤：步骤1：将桩竖直立于地基土层上面，从下至上将桩、夹具、基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤连接在一起，其中基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤的底座和夹具连接；步骤2：启动驱动装置，驱动装置带动旋转轴从转速为0逐渐增加到工作转速，在这个过程中辐射变形条表现为第一形状且其质心位于旋转轴中心；步骤3：当旋转轴转速达到工作转速后，电磁波发射器发射电磁波，辐射变形条在电磁波辐射下发生变形且质心位置发生改变，辐射变形条表现为第二形状且其质心偏离旋转轴中心，这样辐射变形条在旋转过程中对旋转轴产生不平衡的离心力，这个不平衡的离心力即激振力，桩在此激振力作用下沉入土中；步骤4：桩沉入土中指定深度后，停止电磁波辐射，这时辐射变形条变回第一形状且质心位于旋转轴中心，这时辐射变形条不产生激振力，然后逐渐降低旋转轴的转速至0；或者在电磁波作用下，辐射变形条为第三形状，辐射变形条的总质心恢复至旋转轴中心，这时辐射变形条不产生激振力，然后逐渐降低旋转轴的转速至0。 9.根据权利要求8所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤的沉桩方法，其特征在于：当步骤4中辐射变形条因残余变形而没有完全恢复为第一形状且质心没有位于旋转轴中心时，或者辐射变形条的质心没有完全恢复至旋转轴中心时，启动平衡微调结构，分别改变第一质心位置调节器和第二质心位置调节器的质心位置，这样通过改变呈90度角放置的第一质心位置调节器和第二质心位置调节器的合成质心的位置，从而抵消辐射变形条因质心没有位于旋转轴中心时产生的离心力；由加速度传感器测得的加速度可以判断振动桩锤是否产生激振力，当辐射变形条质心没有位于旋转轴中心时，则测得的加速度不为零，这样通过调整平衡微调结构中质心的位置，直至加速度传感器测得的加速度为零，这时表明平衡微调结构中质心产生的离心力抵消了辐射变形条因质心没有位于旋转轴中心时产生的离心力。 10.根据权利要求8所述的基于辐射变形减少振动影响的振动桩锤的沉桩方法，其特征在于：当变形条为热膨胀率不同的两层板粘结叠合而成时，给出精细化控制激振力大小、且在穿越锤-桩-地基共振频率时控制激振力为0的方法为：涉及一些简写和符号，以下为注解： m：每个单元的节点数 Ni：每个单元第i个节点上定义插值函数Ni(1≤i≤m),Ni是单元中任意一点坐标(x,y)的函数 α1：第一层板的热膨胀系数 α2：第二层板的热膨胀系数 [D1]：第一层板的应力和应变关系矩阵 [D2]：第二层板的应力和应变关系矩阵 [B]：每个单元上位移和应变的关系矩阵 [B]T：[B]的转置矩阵 Ω：单元的积分区域区域 [Ke]type1：第一层板每个单元的矩阵， [Ke]type2：第二层板每个单元的矩阵， T：温度 {fe}type1：第一层板每个单元节点上的组成力向量 {fe}type2：第二层板每个单元节点上的组成力向量 {ue}type1：第一层板单元节点上的位移向量 {ue}type2：第二层板单元节点上的位移向量 ux,uy：单元中任意一点(x,y)的位移ux和uy 其表达式分别为和 ρ：单元中材料密度为ρ ω：旋转轴旋转角速度为ω， bx：旋转过程中重力对单元中任意一点在x方向的作用力 by：旋转过程中重力对单元中任意一点在y方向的作用力每个单元对旋转轴中心在x方向的作用力每个单元对旋转轴中心在y方向的作用力第一层板和第二层板的叠合结构在x方向对旋转轴中心产生的激振力第一层板和第二层板的叠合结构在y方向对旋转轴中心产生的激振力 Fexcite：第一层板和第二层板的叠合结构对旋转轴中心产生的总激振力以旋转轴中心为原点建立局部坐标系，设组成变形条的两层板分别为第一层板和第二层板，分别对第一层板和第二层板划分网格，且第一层板和第二层板的网格节点在两层板粘结界面上重合；划分网格后，每个网格构成一个单元，设每个单元有m个节点，每个节点上定义插值函数Ni(1≤i≤m),Ni是单元中任意一点坐标(x,y)的函数；设第一层板的热膨胀系数为α1，应力和应变的关系矩阵[D1]，设每个单元上位移和应变的关系矩阵为[B]，[B]T为[B]的转置矩阵，通过在单元区域Ω积分得到第一层板每个单元的矩阵设温度为T，每个单元节点上的组成力向量{fe}type1，求{fe}type1的方法为：基于[Ke]type1将单元节点上的位移向量{ue}type1和力向量{fe}type1联系起来，若不考虑单元之间的相互影响，如下所示： [Ke]type1{ue}type1＝{fe}type1 (2) 设第二层板的热膨胀系数为α2，应力和应变的关系矩阵[D2]，设每个单元上位移和应变的关系矩阵为[B]，[B]T为[B]的转置矩阵，通过在单元区域Ω积分得到第二层板每个单元的矩阵设温度为T，每个单元节点上的力组成力向量{fe}type2，求{fe}type2的方法为：基于[Ke]type2将单元节点上的位移{ue}type2和力{fe}type2联系起来，若不考虑单元之间的相互影响，如下所示： [Ke]type2{ue}type2＝{fe}type2 (4) 考虑单元之间的相互作用力，将第一层板和第二层板上的所有单元都列出如式(3)和式(4)所示的方程组，因为第一层板和第二层板在粘结界面上的网格节点是重合的，所以可以联立求解这些方程组即可得到每个单元节点上的位移；设求解得到的每个单元节点上x和y方向位移分别为uix,uiy(1≤i≤m)，设单元中任意一点坐标为(x,y)，这样可得到单元中任意一点(x,y)的位移ux和uy,其表达式分别为和设单元中材料密度为ρ，旋转轴旋转角速度为ω，旋转过程中重力对单元中任意一点在x方向的作用力为bx、在y方向的作用力为by，然后可计算每个单元对旋转轴中心在x和y方向的作用力分别为和单元在x方向的作用力：单元在y方向的作用力：将所有单元的作用力和分别在x方向和y方向叠加在一起，得到第一层板和第二层板的叠合结构同一温度翘曲下对旋转轴中心产生的激振力和然后可以得到激振力在指定旋转角速度下以不同温度值计算激振力Fexcite的大小，绘制温度值和激振力Fexcite的关系曲线；当步骤3中需要指定沉桩时激振力的大小，可以快速根据温度值和激振力Fexcite的关系曲线确定温度值，从而加热第一层板和第二层板至指定温度，从而施加指定的激振力；当步骤2和步骤4中需要对桩施加的激振力为0，可以通过温度值和激振力Fexcite的关系曲线确定施加的温度值，从而使旋转轴的旋转频率穿越锤-桩-地基的共振频率时激振力Fexcite为0。
所属类别：	发明专利