[发明专利]一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验系统。

背景技术

随着桥梁建设从内陆走向外海，桥梁建设面临着深水、强风、急流、巨浪等恶劣海洋环境的严峻挑战。

对于跨海桥梁而言，作用在结构上的风、波浪、海流之间具有强烈的耦合性。海洋里的波浪主要是风浪和涌浪，其中风浪是在风力的直接作用下形成的波浪；当风停止，或当波浪离开风区时，这时的波浪便称为涌浪。由于波浪的运动导致海面上下起伏并随时间变化，从而改变了气液界面的粗糙度，因此波浪运动反过来将影响风运动。此外，浪和流之间也具有耦合性，当波浪和海流相遇时，它们间的相互作用将影响各自的传播特性，即波浪要素将发生变形，其传播将发生折射，同时水流的流速分布也将发生变化。可见，风、浪、流之间的相互作用和风、浪、流与结构之间的相互作用同时发生，并交织在一起，这给跨海桥梁设计环境参数及荷载作用合理确定带来了新的困难。

跨海大桥的刚度低、阻尼小，在风的作用下，桥梁结构可能会发生涡激振动、抖振、驰振，甚至可能发生气动失稳；在波浪和水流作用下，特别是在波浪卓越周期与桥梁振动周期接近的情况下，将会引起桥梁结构发生大幅共振。因此，在风浪流耦合场中，桥梁结构可能会发生大幅振动，甚至可能发生毁灭性破坏。

桥梁的风浪流耦合作用问题是复杂的气-固耦合和液-固耦合问题：一方面，桥梁结构及其运动将改变风浪流场；另一方面，风浪流场的变化将导致其对桥梁结构的作用效应发生改变。因此，传统采用分别计算风、浪、流单因素作用然后进行叠加的方法不能够准确反映桥梁在风浪流耦合作用下的受力性能。为准确评估跨海桥梁在风、浪和流环境下的动态响应特征，需要考虑风、浪、流和桥梁结构之间的耦合效应。传统的刚性模型试验方法和测试装置无法获得桥梁在波浪作用下的动力响应，不能反映波浪对桥梁的动力作用。因此，对大跨桥梁在波浪作用下的受力性能应该采用弹性模型更为合理。弹性模型试验对于细长、柔性的动力敏感结构尤其重要，此类结构容易发生气弹/水弹效应。气弹/水弹效应是结构本身的运动会增加或改变流体作用力，或者结构的振动模态具有强烈的三维效应且弹性模态力难以估计。为了能够准确地再现原型结构的风浪流作用响应，气弹/水弹模型必须模拟自然风-浪-流特性、结构外形的关键流体动力信息以及结构系统的刚度、质量和阻尼特性。在实验室中同时对风、浪和流进行模拟并测试在耦合场中的桥梁结构响应，将能更逼真地模拟结构受力状态。

在台风过程中，风浪占据了主导地位，风向和波向存在较高的相关性，但是由于风场和波浪场的生成存在时滞效应，且地形地貌对风和波浪的传播方向存在巨大的干扰效应，从而导致特定位置的风向与波浪方向之间往往存在不一致性。海流流向一般受潮汐和洋流影响较大，台风一般仅对海洋表面会产生较大的风海流，因此整体海流流速和流向一般与风向和波向存在较弱的相关关系。此外，桥位处地形地貌和基础局部冲刷也会极大地改变波浪场和水流场的水质点运动速度和方向，对波流场的分布产生巨大的影响。因此，在风浪流耦合场试验模拟中，需要考虑风向、波向、流向的不一致性模拟。目前，在风浪流耦合作用试验模拟研究方面，实验室对于风、浪、流单因素的模拟技术比较成熟，对浪-流耦合作用的研究也具有一定的研究基础。但是，对于风向、波向、流向空间相关的风浪流耦合场模拟和考虑桥位处地形、基础局部冲刷影响流场分布模拟技术研究处于空白。

在风场中，桥梁结构通常采用弹性模型或刚性模型进行模拟和试验测试；在浪-流场中，桥梁结构通常采用刚性模型进行模拟和试验测试，对结构弹性响应研究少。在国际上，考虑桥梁施工过程和成桥状态的全桥弹性模型风浪流耦合作用试验技术和全桥风浪流耦合作用弹性响应特性研究仍处于空白。

在试验测试技术方面，以往主要关注风、浪、流单因素环境参数的测试，风场中弹性模型的结构振动位移和加速度测试，波流场中刚性模型水平力、竖向力测量和刚性模型表面压力分布测量。为研究风浪流耦合场的耦合效应及其与桥梁弹性响应之间的耦合效应，如何实现对风浪流耦合场多种环境参数、全桥弹性模型的位移和加速度动态响应、水下基础表面动水压力分布、基底六分力等多变量、多通道的时间连续及同步测量与分析是面临的关键问题，目前仍处于空白状态。

因此，迫切需要研发桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验系统，为桥梁全桥风浪流耦合作用研究提供必要的风浪流耦合场模拟技术、全桥弹性模型实现技术和风浪流耦合效应试验测试技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题