[发明专利]自然风场中桥梁大振幅竖向和扭转耦合自由振动试验装置

说明书

本发明提供了一种自然风场中桥梁大振幅竖向和扭转耦合自由振动试验装置，包括刚性模型、轻质高强细绳、线性拉伸弹簧、刚性支架、弹簧护筒、转盘、刚性立柱、电机、重力块和刚性细圆杆。利用本装置可在良好的自然风场中开展桥梁刚性模型自由振动试验，无需大型风洞设备，试验模型尺寸不受风洞尺寸限制，因此可实现大比例模型试验。相比于传统风洞试验方法，本装置不仅可以大大减弱大幅振动时的几何非线性，而且可以解决大幅振动风洞试验中阻塞率过高的问题，因此适合于研究大幅振动；利用转盘非常容易地调节模型风偏角，进而方便地全面研究不同风偏角下桥梁的抗风性能，相对传统风洞试验更为便利。

技术领域

本发明涉及在自然风场而非风洞实验室中研究桥梁大比例主梁刚性模型风致大幅竖向和扭转耦合自由振动的一种试验装置，具体涉及到通过轻质高强细绳、线性拉伸弹簧将大比例刚性模型悬吊在立于良好自然风场中的塔架的转盘上，通过电机驱动转盘带动悬吊系统调节刚性模型相对自然风向的偏角，从而模拟实际桥梁主梁的相对风向姿态。由于置于自然风场，模型尺寸基本不受限制，因此可实现大比例模型试验。此外，相比于传统风洞试验方法，本装置具有便于实现大振幅、任意风偏角、节省能耗、且无需占用风洞实验室等诸多优势。

背景技术

桥梁主梁节段模型竖向和扭转耦合自由振动法是研究桥梁结构风致振动(涡振、抖振、驰振、颤振)的一种重要方法，也是识别桥梁主梁颤振导数的一种常用试验方法。以往桥梁主梁风致弯扭耦合自由振动试验通常在风洞实验室中开展，优点在于流场风速可控，流场品质良好。弹簧悬挂系统分为内支架和外支架两种。外支架是将弹簧悬挂系统支撑在位于风洞外的支架上，弹簧不受风荷载作用，适用于风洞宽度较小场合。此时，往往利用风洞洞壁作为端板来尽可能保证二元流动。对于宽度较大的风洞(如大于4m)，模型难以甚至无法横跨风洞，则需要在风洞内部设置支架以支撑悬挂系统。此时，需将弹簧封闭起来，避免其承受风荷载，一定程度上增加了试验难度。如果弹簧置于风场中，则影响试验精度。受风洞尺寸限制，风洞试验模型长宽比一般不超过4，需要专门设置端板(或利用风洞壁作为端板)来尽可能保证二元流动。风洞试验一般只适用于小比例模型情况。然而模型太小，难以准确模拟外形、保证模型刚度，有时系统质量和质量惯矩难以满足要求。

另外，现有自由振动风洞试验装置难以调节风偏角。由于风洞风向是固定的，因此只能通过调整模型相对风洞风向的角度来调节风偏角。对于外支架弹簧悬挂系统，其风偏角基本无法调节。对于内支架系统，调节风偏角的操作十分繁杂，不便全面研究各种风向角条件下结构的抗风性能。此外，传统风洞试验方法较难实现大幅振动，主要原因如下：(1)用于悬挂模型的拉伸弹簧长度较短(通常在40～80cm范围内)，模型大幅扭转振动时弹簧发生明显侧向倾斜，系统刚度出现明显非线性，进而对后续试验结果造成不可接受的误差；(2)大幅扭转振动时阻塞率较高，阻塞率可能不满足试验要求；小比例模型虽然可以降低阻塞率，但其气动外形、模型刚度、模型质量及质量惯矩等难以准确模拟；(3)模型大幅振动时存在安全隐患，一旦发生破坏，可能对风洞及设备造成巨大破坏。将风洞中的自由振动测试装置移到室外自然风场，对装置的某些参数(主要是尺寸)加以调整，并增加驱动机构调节试验风偏角，可以有效解决风洞试验面临的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对桥梁抗风设计中主梁节段模型竖向和扭转耦合大振幅自由振动试验的需要，提供一种可以有效解决目前风洞试验方法所面临的瓶颈问题，在良好的自然风场中开展不同风向条件下大振幅耦合自由振动的试验装置。该装置包括桥梁主梁刚性模型、轻质高强细绳、线性拉伸弹簧、弹簧护筒、刚性支架、转盘、刚性立柱、电机、重力块和刚性细圆杆。

本发明的技术方案：