[发明专利]一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置

说明书

本发明提供了一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，属于桥梁风洞试验装置技术领域。桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、轻质刚性杆、轻质刚性圆轮毂、第一细绳、线性拉伸弹簧和第二细绳。本装置可实现桥梁模型自由竖向和扭转大振幅耦合自由振动，竖向弹簧只有伸缩变形而不发生侧向倾斜，不存在传统自由振动试验装置中弹簧发生明显倾斜而无法保证线性扭转刚度的问题；本装置简单，安装方便，易于调节初始攻角，由于细绳与轮毂之间为滚动摩擦，因此机械阻尼比很低。

技术领域

本发明涉及一种可以实现桥梁刚性模型大振幅的、且能够保证线性竖向刚度和线性扭转刚度的自由振动风洞试验装置，具体涉及到通过竖置线性拉伸弹簧、在两端固定模型的轻质刚性圆形轮毂、连接弹簧与轮毂的高强细绳构成的系统，将桥梁模型的大振幅竖向和扭转耦合自由振动转化为线性弹簧的竖向自由伸缩，利用弹簧的线性拉伸刚度和圆形刚性轮毂实现系统的线性竖向平动和线性转动刚度。由于系统在整个大幅耦合振动过程中，质量和质量惯矩始终不变，因此竖向平动和绕轮毂中心转动频率保持恒定。

背景技术

竖向和扭转耦合自由振动法是桥梁风洞试验测振(涡振、抖振、驰振、颤振)的一种主要方法，也是桥梁颤振导数识别的一种重要风洞试验方法。传统耦合自由振动试验装置采用弹簧悬挂主梁节段模型，优点在于装置简单，实现方便。对于小振幅弯扭耦合自由振动，竖向弹簧的侧向倾斜较小，弹簧近似满足竖向线性几何刚度条件。但当扭转振幅较大时，竖向弹簧发生明显侧向倾斜，弹簧几何刚度不满足线性条件，因此耦合振动系统的竖向和扭转刚度不再保持常数，而是与振幅相关，因此对后续试验结果造成不可接受的明显误差。竖向和扭转耦合自由振动振幅越大，弹簧侧向倾斜越大，试验误差也越大。一般认为当扭转振幅在2°之内时，误差基本可以忽略。但对于研究大振幅的扭转振动情况，如塔科马旧桥风毁时，扭转振幅达到惊人的35°，采用传统自由竖向和扭转耦合自由振动试验装置根本无法模拟。即使振幅达到10°，结果可能就已经完全错误。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对风洞试验中桥梁及其他结构构件节段模型大振幅竖向和扭转耦合自由振动的需要，提供一种可以有效避免试验过程中非线性因素，保证大振幅竖向和扭转耦合线性自由振动试验装置。竖向和扭转耦合自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、刚性杆、圆形轮毂、线性拉伸弹簧和细绳。

本发明的技术方案：

一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、轻质刚性杆2、轻质刚性圆轮毂3、第一细绳4、线性拉伸弹簧5和第二细绳6；刚性试验模型1两端固结刚性杆2，刚性杆2垂直穿过轮毂3的中心并与其固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与刚性杆2轴线、轮毂3中心线共线；第一细绳4缠绕在轮毂3的凹槽内，构成动滑轮，第一细绳4一端与轮毂3底部固定，另一端与弹簧5下端连接，保证刚性试验模型1和轮毂3在竖向和扭转耦合自由振动过程中，轮毂3与第一细绳4之间仅发生相对滚动；第二细绳6限制刚性试验模型1在风致大幅耦合自由振动过程中的侧向振动；刚性试验模型1在做竖向和扭转耦合自由振动过程中，第一细绳4带动弹簧5做上下竖直运动，弹簧5在伸缩过程中只产生竖向拉伸变形而不发生侧向倾斜。

所述的轮毂3的直径根据刚性试验模型1的质量、质量惯矩及扭转频率与竖弯频率的比值等几个参数确定，一般在0.2m‐1.5m范围内。当轮毂3的直径在0.2m‐0.7m范围内时，轮毂3一般可以采用自行车轮毂，既方便又经济；直径较大的轮毂3可以采用轻质刚性合金铝型材加工。

所述的第一细绳4和第二细绳6的线性抗拉刚度远大于弹簧5刚度，轻质高强、抗扭和抗弯刚度基本可以忽略，保证第一细绳4可以自由缠绕在轮毂3上。对于一般刚性试验模型1，由于质量和振动频率都不太高，因此市面上很多细绳都可满足要求。

所述的第一细绳4不一定要固结在轮毂3的底部，只要保证在振动过程中固结点不会高于细绳4与轮毂3的相切点即可。另外，在振动过程中弹簧5与第一细绳4的连接点也不能低于第一细绳4与轮毂3的相切点。