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原文传递一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法

专利名称：	一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法
摘要：	本发明公开了一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，沉桩时的振动桩锤包括形状记忆合金偏心结构、加热装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述加热装置包括交变电源、励磁线圈和加热片。为了克服普通振动桩锤启动时激振频率由零增加至工作频率的过程中因穿越振动锤‑桩‑地基体系的共振频率而导致周围环境振动过大的问题，为了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，本发明提供了一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法。
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;陈荣忠;马永航;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：	CN201910691956.3
公开号：	CN110409442A
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：	1.一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，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、基于形状记忆合金的振动桩锤连接在一起，其中基于形状记忆合金的振动桩锤的底座和夹具连接；振动桩锤包括形状记忆合金偏心结构、加热装置、旋转轴、驱动装置和底座；所述加热装置包括热源和加热片；形状记忆合金偏心结构固定在旋转轴上，加热片固定在旋转轴上，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，加热片可在热源作用下发热且加热形状记忆合金偏心结构，步骤1中不加热形状记忆合金偏心结构；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，在这个过程中形状记忆合金偏心结构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，启动加热装置，这时形状记忆合金偏心结构受热发生变形，形状记忆合金偏心结构表现为第二形状且其质心偏离旋转轴中心，这样形状记忆合金偏心结构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，关闭加热装置，这时形状记忆合金偏心结构变回第一形状且质心位于旋转轴中心，这时形状记忆合金偏心结构不产生激振力，然后逐渐降低旋转轴的转速至0。 2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：所述形状记忆合金偏心结构具有双程形状记忆效应，室温时为第一形状，加热时表现第二形状，且第二形状的质心与第一形状的质心不在同一个点。 3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：所述加热装置的热源包含交变电源、励磁线圈，交变电源和励磁线圈连接且为励磁线圈通入交变电流，励磁线圈固定在底座上，交变电源为励磁线圈通入交变电流时，励磁线圈产生交变磁场，而交变磁场在加热片上产生电涡流，加热片在电涡流作用下发热且加热形状记忆合金偏心结构，加热片和形状记忆合金偏心结构之间用导热片连接，导热片和形状记忆合金偏心结构中非变形部分连接，导热片不影响形状记忆合金偏心结构的变形；或者加热装置的热源包含电源、正极电刷和负极电刷，电源正极与正极电刷连接，电源负极与和负极电刷连接，正极电刷和负极电刷固定在底座上，正极电刷和负极电刷与旋转的加热片接触，加热片接触正极电刷和负极电刷时导电发热。 4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：所述记忆合金偏心结构和加热片外罩有保温壳，保温壳底部和底座连接，旋转轴穿过保温壳旋转；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，这样步骤3中可以加速形状记忆合金偏心结构的升温过程，步骤4中空调冷气泵产生冷气、且冷气由冷却输入孔输入再由冷却输出孔输出，冷气在保温壳内对形状记忆合金偏心结构进行降温。 5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：加热片上有质心微调结构；所述质心微调结构包括第一质心位置调节器和第二质心位置调节器；且第一质心位置调节器和第二质心位置调节器相互呈90度角放置在加热片上。 6.根据权利要求5所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，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；质心微调电源没有对线圈通电时，加热片、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5所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，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7所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：当步骤4中形状记忆合金偏心结构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，若加热片上有质心微调结构时，启动加热片上的质心微调结构，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，分这样通过改变呈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，从而抵消形状记忆合金偏心结构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，当形状记忆合金偏心结构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，则测得的加速度不为零，这样通过调整质心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，这时表明质心微调结构中质心产生的离心力抵消了形状记忆合金偏心结构因质心没有位于旋转轴中心时产生的离心力。 9.根据权利要求8所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：调节第一质心位置调节器和第二质心位置调节器使底座测得的加速度为0的过程为：设旋转轴旋转产生的相位角为a,第一质心位置调节器的圆管的相位角为b，第二质心位置调节器的圆管的相位角为b+90，这里相位角a和b的初始值都为0且单位为角度，若测得的加速度不为0，设t时刻测得的水平向加速度为Ax、竖向加速度为Ay,取第一质心位置调节器中质量块的位移调节系数为C1,第二质心位置调节器中质量块的位移调节系数为C2，则第一质心位置调节器中质量块移动的距离为C1.[Ax.cos(a)+Ay.sin(a)]，则第二质心位置调节器中质量块移动的距离为C2.[Ax.cos(a+90)+Ay.sin(a+90)]；在不同时刻按上述方式调节第一质心位置调节器和第二质心位置调节器中质量块的位置，直至底座的加速度为0。 10.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金减少振动影响的沉桩方法，其特征在于：步骤2和步骤4中需使形状记忆合金偏心结构的质心位于旋转轴中心，从而不产生激振力，避免穿越锤-桩-地基的共振频率时引起共振，但在旋转频率变化过程中，即使温度不变，形状记忆合金偏心结构的每一个点受到的离心力都在变化、且引起形状记忆合金偏心结构的不断细微变形、导致其质心的细微变化、最终产生细微的激振力，这样不可避免在穿越锤-桩-地基的共振频率时引起共振，为了进一步抑制此细微的激振力，这里提供了此细微激振力的精细化计算及抑制方法：涉及一些简写和符号，以下为注解： m：形状记忆合金偏心结构划分网格后，每个单元的节点数 Ni：每个单元第i个节点上定义的插值函数，且为单元中每个点坐标的函数，这里1≤i≤m ω：旋转轴旋转角速度 bx：重力对单元中任意一点在x方向的作用力 by：重力对单元中任意一点在y方向的作用力 Ω：单元积分区域 fix：对单元第i节点的x方向等效荷载， fiy：对单元第i节点的y方向等效荷载， {fe}：单元节点力列向量，由fix和fiy组合而成 uix,uiy：每个单元节点上x和y方向位移，且1≤i≤m {ue}：单元节点位移向量{ue}，由uix,uiy组合得到 E：模量 υ：泊松比 [D]：应力和应变的关系矩阵 [B]：每个单元上位移和应变的关系矩阵 [B]T：[B]的转置矩阵 [Ke]：将{fe}和{ue}联系起来的矩阵，有[Ke]{ue}＝{fe} ux,uy：单元中任意一点(x,y)在x和y方向的位移其表达式分别为和每个单元在细微变形后对旋转轴中心在x方向的作用力每个单元在细微变形后对旋转轴中心在y方向的作用力将所有单元的作用力在x方向叠加在一起，得到形状记忆合金偏心结构在同一温度下因细微变形后产生的x方向作用力将所有单元的作用力在y方向叠加在一起，得到形状记忆合金偏心结构在同一温度下因细微变形后产生的y方向作用力对于步骤2中的形状记忆合金偏心结构以旋转轴中心为原点建立局部坐标系，且对形状记忆合金偏心结构划分网格，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，对单元区域Ω积分得到因为旋转对单元节点的等效荷载：对单元第i节点的x方向等效荷载: 对单元第i节点的y方向等效荷载: 将fix和fiy组合为单元节点力列向量{fe}，其表达式为：设每个单元节点上x和y方向位移分别为uix,uiy(1≤i≤m)，将uix,uiy组合得到单元节点位移向量{ue}，其表达式为：通过拉伸和扭转试验得到形状记忆合金材料在当前温度下的模量E和泊松比υ，由模量E和泊松比υ得到应力和应变的关系矩阵[D]，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积分得到每个单元的矩阵[Ke]将{fe}和{ue}联系起来，如下式所示： [Ke]{ue}＝{fe} (1) 每个单元都可列出如式(1)所示的方程，将所有单元的方程都联立在一起可求解得到形状记忆合金偏心结构每个单元节点上的位移uix和uiy(1≤i≤m)，这样可得到单元中任意一点(x,y)的位移ux和uy,其表达式分别为和然后计算每个单元在细微变形后对旋转轴中心在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，得到形状记忆合金偏心结构在同一温度下因细微变形后产生的作用力和由和的表达式可知，和随旋转角速度变化，因此在旋转轴的旋转频率穿越共振频率附近时，为了避免共振影响，实时施加微调力来抵消和的影响。
所属类别：	发明专利