本發明涉及一種減少海洋工程鋼管樁基礎振動的裝置，屬于海洋工程鋼管樁基礎防護技術領域。

背景技術：

近年來隨著對能源需求的增加，海洋工程建設規模日益增大。目前海洋工程構筑物常選擇鋼管樁作為基礎。相比其他類型的樁基，鋼管樁預制成型且海上施工設備相對成熟，能夠有效節省復雜作業環境中的樁基施工成本、縮短工期。但是在鋼管樁的實際使用過程存在一些值得工程設計人員關注的問題，例如流場中樁基渦激振動問題以及海水對樁身材質的腐蝕問題。

流場中樁基振動問題是一個經典的流固耦合問題。已有的研究發現對于流場中的圓柱，其后方會形成有序的渦旋釋放，進而在柱體后方產生周期性的橫向力。對于鋼管樁，這種周期性荷載作用常導致樁基振動。對于樁基結構，長期劇烈的橫向荷載會引發自身結構的損壞。此外，海洋工程結構多屬高聳結構，過大的基礎位移響應會影響上部結構的正常使用。

另外，對于海洋工程中的鋼結構，海水腐蝕是另一個無法避免的問題，特別是位于干濕交替區的樁段受其影響更為明顯。在工程使用期間，需積極的采用各種防腐蝕手段進行應對，常用的方法有犧牲陽極、陰極保護等。其中陰極保護是電化學保護技術的一種，其原理是向被腐蝕金屬結構物表面施加一個外加電流，被保護結構物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發生。因工程實踐效果良好被廣泛采用，但是需要外加電流，增加了能源消耗且部件安裝相對復雜。

為了減少流場中鋼管樁基礎渦激振動、抑制海水對樁身的腐蝕作用，研發樁身渦激橫向荷載消減以及節能的腐蝕保護裝置顯得至關重要。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種減少流場中鋼管樁基礎渦激振動，減少作用在樁身的渦激橫向荷載，使樁后渦旋無序排放，防振動的裝置；

進一步地，本發明提供一種對鋼管樁基礎具有海水腐蝕防護功能的減少海洋工程鋼管樁基礎振動的裝置；

更進一步地，本發明提供一種利用波浪轉換成電能，為海水腐蝕防護和鋼管樁減振提供所需電能的減少海洋工程鋼管樁基礎振動的裝置；

更進一步地，本發明提供一種下部結構的前部方向可根據水流方向進行自行調節，對環境水流方向改變的適用性好，高效避免樁后形成周期性的渦激橫向荷載的減少海洋工程鋼管樁基礎振動的裝置；

更進一步地，本發明提供一種使用姿態可變換，即可用于高效地將波浪能轉換電能，又可高效地用于鋼管樁減振的減少海洋工程鋼管樁基礎振動的裝置。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種減少海洋工程鋼管樁基礎振動的裝置，包括固定式外套于鋼管樁水面以上部位的上部結構和活動式外套于鋼管樁水面以下近水面處的下部結構；

所述下部結構包括前部呈尖角狀中后部為矩形的下底板，所述下底板的內部設置有用于穿過所述鋼管樁的孔洞，所述孔洞上豎直固定有圓筒狀的下內圍板，所述下內圍板的外圓周均布若干豎撐桿，所述豎撐桿底端與所述下底板上表面相連，所述豎撐桿頂端穿出所述上部結構；前側板和側板分別通過前液壓撐與側液壓撐與所述下底板的前部和中部活動相連，用于包圍所述下底板后部的后側板的后方固定有轉動機艙，所述轉動機艙內部安裝有轉動機，轉動機用于實現紊流帶的收放。

所述紊流帶底部設置有導線，所述豎撐桿為中空管，所述中空管供所述前液壓撐的油管、側液壓撐的油管、轉動機的線纜以及所述導線通過；導線與蓄能裝置相連。

所述紊流帶內部間隔設置有若干豎向增強筋。

所述上部結構包括固定套于所述鋼管樁上的呈環形的上底板，所述上底板留有供豎撐桿通過的孔洞，所述上底板的外環上豎直固定有圓筒狀的上外圍板，所述上底板的內環上豎直固定有圓筒狀的上內圍板，所述上外圍板內側以及上內圍板外側分別固定外磁鐵與內磁鐵，所述豎撐桿上水平連接的線圈桿位于所述外磁鐵與內磁鐵之間，所述線圈桿的線纜通過總管道與所述蓄能裝置相連，所述上內圍板和上外圍板的頂端活動設置有蓋板，所述豎撐桿的頂端穿出所述蓋板上的豎撐桿孔并可在所述豎撐桿孔內上下向運動；所述蓋板與所述豎撐桿之間連接有可拆卸式鎖緊裝置；所述蓋板上設置有若干調整環所述前液壓撐和側液壓撐的油管通過所述總管道連接液壓泵，所述轉動機的線纜通過所述總管道連接所述蓄能裝置。

所述總管道是一根空心管，將油管（即前液壓撐和側液壓撐的油管）、線纜（即轉動機的線纜和線圈桿的線纜）、導線（即紊流帶底部的導線）先收納到其內部，然后再從總管道端部各自分散引至設備。

所述下底板擺放于下擋撐上；所述下擋撐為環形，固定于所述鋼管樁的外壁上。

所述上底板通過上擋撐螺栓連接于上擋撐上，所述上擋撐高出水面并固定于所述鋼管樁的外壁上。

所述上擋撐不遮擋上底板上的供豎撐桿自由通過的孔洞。

所述外磁鐵與內磁鐵呈圓弧形沿圓周分塊布置且異極相對。

所述豎撐桿、線圈桿、外磁鐵與內磁鐵的個數相同，均包括4個，所述線圈桿、外磁鐵與內磁鐵均為1/4圓環狀，所述線圈桿兩端連于相鄰兩所述豎撐桿上。

所述蓋板的外徑較所述上外圍板的內徑小1~3cm，且所述蓋板通過蓋板螺栓與所述上外圍板連接。

當裝置用于波浪能轉換電能時，前液壓撐與側液壓撐伸出使前側板、側板呈水平擺放狀態，當裝置用于鋼管樁減振時，前液壓撐與側液壓撐收縮使前側板、側板呈豎直擺放狀態；所述前側板和側板的個數均為2個，所述前液壓撐與側液壓撐的個數也均為2個。

本發明的有益效果在于：

1. 本發明的下部結構設置了紊流帶以及轉動機艙。紊流帶可以有效的打亂樁后渦旋的釋放，避免形成周期性的渦激橫向荷載，且紊流帶內部的豎向增強筋能增強其豎向擺動形態的維持，紊流帶內部的導線形成防腐措施中的陽極。轉動機艙內的轉動機可以實現紊流帶的收回與放出，避免在下部結構轉向過程中紊流帶纏繞。

2. 本發明相比普通陰極保護裝置具有不需外部能源的優點。通過調節前側板和側板至水平擺放形態，加大本發明下部結構與波浪接觸面積，實現下部結構帶動線圈桿隨波浪上下切割磁感應線，進而將波浪能轉換成供陰極保護所需的電能，達到綠色節能效果。

3. 本發明在樁基外圍通過對稱設置前側板形成迎流角結構，相比普通樁基的圓形截面，該結構能夠有效減少樁基迎流面積，從而減少作用在樁身上水流力，有助于減少樁后渦旋的生成。本發明的前側板布置在接近水面的水質點流速較大處，該設置位置的選擇能夠最大的發揮前側板的功能。

4. 本發明下部結構迎流方向可以根據水流方向自行調節，也可以通過蓋板連接豎撐桿進行人工調節。相比固定式的減少水流力的結構，該結構對環境水流方向改變的適用性更好，提高了本裝置的使用效率和范圍。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為圖1的A-A向的剖視圖；

圖3為圖1的B-B向的斷面圖；

圖4為圖1的C-C向的剖視圖；

圖中：1-液壓泵；2-鋼管樁；3-蓄能裝置；4-總管道；5-豎撐桿；6-蓋板；7-調整環；8-蓋板螺栓；9-上外圍板；10-上內圍板；11-外磁鐵；12-內磁鐵；13-上底板；14-上擋撐；15-上擋撐螺栓；16-線圈桿；17前側板；18-下內圍板；19-轉動機艙；20-前液壓撐；21-下底板；22-下擋撐；23-導線；24-紊流帶；25-側液壓撐；26-側板；27-后側板；28-轉動機；29-增強筋。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1~圖4所示，一種減少海洋工程鋼管樁基礎振動的裝置，本發明的裝置套于鋼管樁2外壁使用，可分位于水面以上的上部結構和水面以下近水面處的下部結構這兩部分主要結構。

在水下數米處的鋼管樁2外壁固定環形的下擋撐22，下擋撐22上面擺放前部呈尖角狀中后部為矩形的下底板21，下底板21與桶形內圍板18以及矩形的前側板17、側板26、后側板27豎直相連，其中前側板17、側板26分別通過前液壓撐20與側液壓撐25與下底板21相連，并且可以實現前側板17、側板26的水平展開。轉動機艙19固定于后側板27外側，轉動機28位于轉動機艙19內且能實現紊流帶24的收放，紊流帶24底部安裝有導線23以及豎向設置增強筋29。內部設置孔道的豎撐桿5固定于下內圍板18外側的下底板21上，沿圓周分布4根。前液壓撐20、側液壓撐25的油管通過豎撐桿5的內部孔道，再經總管道4內部與液壓泵1連接，轉動機28的線纜通過豎撐桿5的內部孔道，再經總管道4內部與蓄能裝置3連接。

轉動機28轉動所需的電能由蓄能裝置3提供，紊流帶24設置于鋼管樁2背流側，通過在水流作用時的不規則擺動抑制渦旋的規則排放，紊流帶24內部等間隔分布豎向增強筋29以保證其姿態豎直。紊流帶24底部設置有導線23，導線23與蓄能裝置3相連形成陰極保護所需的陽極端。

上擋撐14位于波浪未接觸處的鋼管樁2外壁并且通過上擋撐螺栓15與上底板13連接。上底板13與上擋撐14均為環形且內部均開有供鋼管樁2穿出的孔洞，上底板13還開有供豎撐桿5穿出的孔洞。上底板13外側固定有上外圍板9且在內側固定有上內圍板10，上外圍板9與上內圍板10均為桶形且固定后邊緣與上底板13的邊緣平齊。上外圍板9內側以及上內圍板10外側分別固定外磁鐵11與內磁鐵12，外磁鐵11與內磁鐵12呈1/4圓弧狀沿圓周分塊布置且異極相對。線圈桿16呈1/4圓弧狀水平固定于豎撐桿5，線圈桿16生成的電流經線纜存儲在蓄能裝置3內部，線圈桿16的線纜通過總管道4與蓄能裝置3相連。豎撐桿5頂部穿出蓋板6，蓋板6設置有供豎撐桿5以及鋼管樁2穿出的孔洞，蓋板6外徑較上外圍板9內徑小2cm且通過蓋板螺栓8與上外圍板9連接，蓋板6頂部設置有沿圓周均勻分布的調整環7，蓋板6與豎撐桿5之間連接有可拆卸式鎖緊裝置。

外磁鐵11、內磁鐵12沿圓周4等分，同一扇區的內、外磁鐵磁極異極相對。內、外磁鐵中間設置線圈桿16，線圈桿16為4個1/4圓弧形成的環形且在內部沿軸向排列多列金屬導線，金屬導線的空間分布與內、外磁鐵形成的磁感應線基本垂直。線圈桿16兩端連接于豎撐桿5，通過波浪帶動豎撐桿5上下運動從而在線圈桿16內部生成電流。

具體使用工況分樁基減振防腐以及波浪能轉換兩種工況。減振防腐工況時，先解除上擋撐螺栓15，并通過鎖緊裝置和調整環7調整蓋板6轉向令前側板17形成的尖角正對來流方向，再使用上擋撐螺栓15將上外圍板9固定于上擋撐14，打開轉動機28放出紊流帶24，使用蓄能裝置3為導線23供電形成陽極，從而實現減振及防腐的功能。當需要波浪能轉換至電能存儲于蓄能裝置3時，打開轉動機28收回紊流帶24，打開前液壓撐20、側液壓撐25展開前側板17、側板26至水平狀態，拆卸鎖緊裝置以及解除上擋撐螺栓15，即可實現最佳捕獲波浪能充能效果。

本實施例在樁基外圍設置形成迎流角結構以減少樁基迎流面積，且在樁后安裝紊流帶24打亂樁后渦旋釋放，進而減少了作用在樁身的橫向振動荷載，抑制樁身振動；通過調節前側板17、側板26姿態增大下部結構與波浪作用面積，充分獲取用于轉換成電能的波浪能，得到電能可用于轉動機運轉及鋼管樁防腐保護。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。