[發明專利]自然風場中超長斜拉索氣彈模型風致振動試驗裝置

在審

• 申請號: 202010798793.1
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111855129A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 許福友;毛濤濤;曾華;周傲秋
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01M9/00
• 分類號: G01M9/00;G01M9/08;G01M7/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明提供了自然風場中超長斜拉索氣彈模型風致振動試驗裝置。利用本裝置可在良好的自然風場中開展超長斜拉索氣彈模型風致振動試驗，相比于傳統風洞試驗方法，裝置不需要占用風洞及昂貴的試驗設備，能耗低，試驗成本低，而且模型尺寸不受風洞尺寸限制，因此可實現超大比例斜拉索氣彈模型試驗，試驗精度可以大幅提升。相比于實橋現場試驗，本裝置方便改變拉索長度、質量、傾角、風偏角、索力、剛度、阻尼等參數，因此更便于開展全面系統的研究，且便于獲得斜拉索風致內力及大幅振動時程。

技術領域

本發明屬于橋梁抗風設計中斜拉橋拉索風致振動試驗研究技術領域，涉及一種自然風場中超長斜拉索氣彈模型風致振動試驗裝置。

背景技術

斜拉索是斜拉橋的關鍵承力構件，隨著斜拉橋跨徑的不斷增大，其柔度增大，阻尼減小，在風荷載、風雨共同作用下可能發生大幅振動。斜拉索常見的風致振動主要包括渦激振動、馳振和風雨激振。斜拉索的風致大幅振動容易引起拉索錨固處的疲勞，影響其使用性能和橋梁行車舒適性。因此，斜拉索風致振動是一個亟待解決的問題，需要嚴格控制。以往斜拉索風致振動以及風雨激振試驗通常在風洞實驗室中開展，優點在于流場風速可控，流場品質良好。然而，對于大部分風洞，由于受限于其尺寸，斜拉索一般采用剛性模型。只有少數大型風洞(風洞寬度大于10m)才可以方便開展氣彈模型試驗，然而模型比例(小于1:20，甚至1:50)仍然較小。實際橋梁現場實測雖然可以獲得拉索風致振動及風雨激振最實際的特征，但實橋不便開展不同參數(長度、質量、阻尼比、傾角、風向角等)條件下索力和振動的實測研究，即基本不具有可控性。針對風洞試驗和現場實測方法研究斜拉索風致振動面臨的不足，提出在自然風場中開展超長斜拉索氣彈模型風致振動試驗裝置，具有其相對優勢和特色。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對斜拉橋斜拉索風致振動和風雨激振研究的需要，提供一種可以彌補目前風洞試驗方法及實橋觀測方法面臨的不足，在良好的自然風場中開展不同工況條件下超長斜拉索氣彈模型風致振動的試驗裝置。該裝置主要包括剛性高強塔柱、塔柱套環、套環支架、斜拉索、索力計、張拉千斤頂和地面錨碇。另外，可以根據試驗條件和需求，增設加速度傳感器或高速攝像機等儀器設備采集。

本發明的技術方案：

自然風場中超長斜拉索氣彈模型風致振動試驗裝置，置于具有良好自然風場條件的平坦開闊試驗場地(比如海邊或山頂)。場地滿足風速高、風場穩、紊流度低，風場持時長等條件。試驗裝置包括剛性塔柱1、塔柱套環2、套環支架3、斜拉索模型4、索力計5、張拉千斤頂6、地面錨碇7，另可根據試驗條件，增設加速度傳感器或高速攝像機等儀器設備。剛性立柱1嵌固于地基，保證足夠高度、強度及剛度；塔柱套環2套在剛性塔柱1頂部，與頂端保留幾十厘米距離，并且有足夠強度的套環支架3支撐塔柱套環2在承受斜向拉力作用下保證不會沿剛性立柱1下滑；斜拉索模型4上端與套環2套接，下端連接索力計5；索力計5與張拉千斤頂6串聯后，與地面錨碇7固接。塔柱套環2可以繞剛性塔柱1自由滑動，這樣可以便于調整斜拉索模型4上端的平面位置，從而方便(無需工作人員爬高到塔頂專門處理)調整斜拉索模型4的空間姿態。單根斜拉索模型4張拉受力會對剛性塔柱1造成附加彎矩，剛性塔柱1越高，斜拉索模型4索力越大，剛性塔柱1彎矩越大，結構越危險。因此，為了盡可能減小附加彎矩，提高安全性和增大索力試驗范圍，建議在剛性塔柱1左右對稱布置同等型號的斜拉索、索力計、千斤頂及錨碇，而且可以同時完成兩組試驗，便于對比分析。不同試驗條件下，拉索風致振動信號可以采用加速度傳感器或高速攝像機等儀器設備采集，拉索索力時程可以通過索力計采集。通過張拉千斤頂6可以調整斜拉索模型4的張拉力，進而改變模型張拉剛度及振動頻率。根據氣象預報，可以預先調整斜拉索4的空間姿態，即改變斜拉索4上、下端點位置。現場試驗時風場參數(風速，風向等)可以通過三維風速儀監測。