CN102175418A - 解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构，其包括底座、主体支撑架、拉杆、底板、竖向导柱、竖向滑块、弹簧连接杆、水平导柱、水平滑块、旋转轴、承力盘和连接板。弹簧连接杆由螺纹分别连接于主体支撑架的上下连接轴和竖向滑块的两端；底板用螺纹固定在主体支撑架中部的两根连接轴上，竖向导柱利用紧固螺钉固定在底板的支座上，竖向滑块穿插在竖向导柱上，水平导柱固定于竖向滑块的两端，水平滑块穿插在水平导柱上，承力盘由平键固定于旋转轴上，旋转轴的一端插入水平滑块内，另一端用紧定螺钉固定着连接板。本发明的三个自由度可以单独锁紧针对需要的自由度进行测量，而且该结构各个方向的弹簧张紧力可以调整，适应各种初始位置要求。

Description

解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构

技术领域

本发明涉及一种进行风洞实验使用的测量设备，具体地，涉及一种桥梁节段模型自由振动悬挂结构。

背景技术

气动导数是描述桥梁断面气动性能的重要参数，它在气动自激力的表达和颤振分析过程中起着至关重要的作用。目前，对于桥梁颤振机理的研究常常是基于颤振分析进行的，特别是根据实测气动导数进行的二维颤振分析是揭示桥梁颤振宏观机理的重要手段。长期以来，气动导数识别和颤振分析由于在试验和理论方面具有双重难度而一直备受风工程界的关注，也是桥梁风工程学研究的热点，实际使用的气动导数大多是根据自由振动试验得到的。

桥梁节段模型自由振动试验需要在自由振动悬挂系统来进行。目前，国内具有代表性的自由振动悬挂系统是湖南大学风洞实验室的自由振动试验设备，其设备存在一个耦合性问题，即水平运动方向上和竖直运动方向上存在耦合问题，当该设备水平方向上存在运动时会带动竖直方向上的运动，这个竖直方向上的运动是是不期望出现的。并且该设备不具备三分力测量功能，即在运动自由度锁定情况下可以测量节段模型在风作用下的受到的静力情况。

发明内容

为解决现有技术中使用的桥梁节段模型的颤振导数识别问题，本发明提供了一套用于风洞中的解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构。该结构具有三个自由度，且三个自由度复合在一起。通过在设备中布置三个自由度的加速度传感器来测量在风洞来流风作用下悬挂于该设备的节段模型的自由振动，进而来识别大跨桥梁的颤振导数。该设备也可以在各个自由度缩紧的情况下测量桥梁节段模型的风致静力三分力。

本发明的技术方案如下：

该悬挂结构由底座、主体支撑架、拉杆、底板、竖向导柱、竖向滑块、弹簧连接杆、水平导柱、水平滑块、旋转轴、承力盘和连接板。主体支撑架是一种对称的两个分段式构架组成的，在主体支撑架的一端焊接有连接板，底座上焊接有矩形块，通过螺栓将连接板和矩形块连接，使得主体支撑架和底座相连，主体支撑架由竖向支撑轴和横向连接轴通过T型接头组合而成，主体支撑架上部的连接轴上利用螺纹连接的形式安装了拉杆，弹簧连接杆由螺纹分别连接于主体构架的上下连接轴和竖向滑块的两端；底板用螺纹固定在主体支撑架的中部，竖向导柱的两端各连接一个支座，利用紧固螺钉使导柱固定在支座内，支座再由螺母固定在底板上，竖向滑块通过两个直线滑移轴承穿过竖向导柱进行安装，水平导柱用螺纹连接的形式固定于竖向滑块的两端，水平滑块通过两个直线滑移轴承穿过水平导柱进行安装，在水平滑块上靠近底板的一侧用带有轴承的端盖安装着旋转轴，旋转轴上用平键固定承力盘，同时旋转轴的端部固定着连接板，用于连接节段模型。

本发明的有益效果是：

(1)三个复合自由度，三个自由度没有耦合，可以单独锁紧，针对需要的自由度进行测量；

(2)静力传感器的布局也是复合的，针对需要的自由度可以单独测量，而没有相互影响；

(3)采用加速度传感器测量各个自由度方向上的加速度情况；

(4)各个方向的弹簧张紧力可以调整，适应各种初始位置要求；

(5)采用可拆卸的左右框架结构，设备整体可拆卸为左右对称两部分，方便运输、安装、调整；

(6)设备采用底支撑和顶支撑并存的方式，可以很好地满足设备在高风速作用下刚度要求。

该悬挂结构可以在设定振幅、频率范围内测量桥梁及机翼节段模型振动加速度、运动速度；或者在各自由度锁紧的情况下测量节段模型的三个自由度方向上的受到的静力情况，并且桥梁节段模型自由振动悬挂系统是进行桥梁节段模型风洞试验所必备的试验装置，具有广阔的市场需求，同时，装置实现了三自由度解耦，具有很高的精度，这使得该系统在同类产品中具有较强的市场竞争力。

附图说明

图1为解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构的整体结构简图；

图2为底座结构简图；

图3为竖向支撑轴、横向连接轴与竖向弹簧连接杆简图；

图4为悬挂结构简图

图5为竖向力传感器连接局部放大图

图6为竖向导柱；

图7为竖向滑动结构；

图8为扭转结构；

图9为竖直方向弹簧布局；

图10为水平方向弹簧布局；

图11为转动方向弹簧布局；

图中，1、底座，2、主体支撑架，3、悬挂装置，4、拉杆，5、矩形块，6、竖直支撑轴，7、横向连接轴，8、T型接头，9、竖向弹簧连接杆，10、底板，11、安装套，12、竖向导柱支座，13、竖向导柱，14、竖向滑移架，15、竖向弹簧连接杆，16、横向弹簧连接杆，17、水平传感器连接支座，18横向力传感器，19、连接板，20、承力盘，21、刻度盘和指针，22、横向滑块，23、承力板，24、扭转力传感器，25、竖向力传感器，26、竖向力传感器安装支座，27、竖向直线滑移轴承，28、水平导柱，29、端盖，30、横向直线滑移轴承，31、扭转轴，32、节段模型。

具体实施方式

如图1所示，解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构由底座1、主体支撑架2、悬挂装置3和拉杆4组成。

如图2所示，底座1是由四根方钢和矩形块5组成，两根短方钢的端部插入矩形块并用螺母固定，在长方钢的两端焊接了连接片，可将连接片用螺栓固定在矩形块5上，而且矩形块的底部开孔，可将整个底座固定于地面上。主体支撑架2由四根竖直支撑轴6、四根横向连接轴7和T型接头8组成，竖直支撑轴采用了分段式设计，便于拆卸、安装和运输，支撑轴的每一段都是由Φ10cm的不锈钢实心钢柱组成，支撑轴的底端同样焊接了连接片与底座1上的矩形块5进行连接，在每根支撑轴的顶端都开有螺纹孔，用于连接由螺杆和支撑头组成的顶支撑，该顶支撑可将整个装置与风洞的顶部固定，配合着底座使悬挂系统稳固的安装在风洞中，减小风作用下悬挂系统自身的振动。竖直支撑轴6与横向连接轴7之间采用T型接头8进行连接，上下两根连接轴上各有两个螺纹孔，共安装上8根竖向弹簧连接杆9，中间的两根连接轴用于安装悬挂装置3。为了防止支撑架的水平晃动，在最上部的连接轴上安装拉杆4，加固整个支撑架的稳定性，防止其变形。

悬挂装置3的组成如图4所示。在底板10的背部安装了四个安装套11，可将悬挂装置固定在主体支撑架2中间的两根横向连接轴上，底板的前端安装了竖向导柱支座12和竖向力传感器支座26。如图5所示，竖向力传感器25用螺栓固定于竖向滑移架14和竖向力传感器支座26之间。如图6所示，为了减小装置的阻尼，竖向导柱13采用光滑的不锈钢柱，并且使用紧定螺钉固定在竖向导柱支座12中。

在竖向导柱13上穿插安装了一个竖向滑移架14来提供桥梁节段模型的竖向运动，如图7所示，竖向滑移架内安装的竖向直线滑移轴承27，使其在竖向导柱上独立运动，且运动阻力接近于0。在竖向滑移架14的上下两侧共安装了四个竖向弹簧连接杆15，在滑移架的左右两侧安装了横向弹簧连接杆16，在滑移架的中间安装了横向导柱28，该导柱同样采用螺栓安装在竖向滑移架上，在滑移架向前水平伸出的部分安装了横向力传感器18的安装支座17。

如图4，8所示，在横向导柱28上穿插安装了一个横向滑块22，横向滑块22的内部安装了横向直线滑移轴承30来提供悬挂装置的横向运动。在横向滑块上安装了横向力传感器18的另一端支座。如图8所示，在横向滑块上穿插安装了扭转组件。

扭转组件包括端盖29、扭转轴31、承力板23、刻度盘与指针21、承力盘20、连接板19。端盖29固定于横向滑块22的后端，其内部安装有轴承，扭转轴31的一端穿过横向滑块22安装在端盖29内的轴承上，另一端则用紧定螺钉固定着连接板19，可将桥梁节段模型与悬挂装置进行连接。在横向滑块22的前端安装了承力板23和刻度盘与指针21，承力板23的作用是为了安装扭转力传感器24或者扭转弹簧，刻度盘与指针21是用来显示桥梁的风攻角。承力盘20相当于一个支座，因为在承力盘的凹槽内钻孔，可用钢丝绳穿过后在凹槽内缠绕半圈，然后与扭转弹簧的一个挂钩相连，或者与一个一端钻孔的螺杆连接，螺杆的另一端则与力传感器连接。

在进行节段模型的静力试验时，共需要使用6个力传感器，其中竖向、横向和扭转力传感器各2个。竖向力传感器25的安装如图5所示，在悬挂装置的两端各安装一个；一个横向力传感器18的安装如图4所示，另一个横向力传感器安装在悬挂装置的另一端，而且安装位置与图4所示的位置正好相反；扭转力传感器24的安装位置如图8所示，安装方法如上文所述。因为三个自由度的运动由各自的滑移轴承或者扭转轴来完成，互相之间没有干扰，因此在静力测量时，各自由度上的传感器仅测量自身所在自由度上的受力情况。

当进行节段模型的振动试验时，需要使用弹簧来为节段模型提供一定的振动频率、初始位置及刚度等。当只需要测量某一自由度的运动情况是，可用力传感器或者螺栓等装置固定住另外两个自由度，于是节段模型只在弹簧安装的自由度上运动。竖向弹簧的安装如图9所示，竖向弹簧共8根，悬挂装置每侧4根，每根弹簧的两端分别安装在位于竖向弹簧连接杆9和15上，竖向弹簧连接杆9的上端带有螺纹，通过拧动螺纹可以调节竖向弹簧的初始伸长长度，从而改变节段模型在竖向上的初始位置。横向弹簧共四根，其安装如图10所示，弹簧的两端分别安装于横向弹簧连接杆16和位于横向滑块22底部的弹簧连接杆上。扭转弹簧共四根，悬挂装置每侧各两根，其安装如图11所示，安装该弹簧时需要使用钢丝绳或者其他刚性较好绳索，钢丝绳一端系在承力盘20的凹槽内的孔中，另一端系于弹簧的一端，弹簧的另一端同样用钢丝绳系于与承力板23上，弹簧的初始伸长量可通过调整绳索的长度来改变。

Claims (5)

1.一种解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构，包括底座、主体支撑架、拉杆、底板、竖向导柱、竖向滑块、弹簧连接杆、水平导柱、水平滑块、旋转轴、承力盘和连接板，其特征是：主体支撑架一端焊接有连接板，底座上焊接有矩形块，通过螺栓将连接板和矩形块连接，使得主体支撑架和底座相连，主体支撑架上部的连接轴上利用螺纹连接的形式安装了拉杆，弹簧连接杆由螺纹分别连接于主体支撑架的上下连接轴和竖向滑块的两端；底板用螺纹固定在主体支撑架的中部，竖向导柱的两端各连接一个支座，利用紧固螺钉使导柱固定在支座内，支座再由螺母固定在底板上，竖向滑块通过两个直线滑移轴承穿过竖向导柱进行安装，水平导柱用螺纹连接的形式固定于竖向滑块的两端，水平滑块通过两个直线滑移轴承穿过水平导柱进行安装，在水平滑块上靠近底板的一侧用带有轴承的端盖安装着旋转轴，旋转轴上用平键固定承力盘，同时旋转轴的端部固定着连接板，用于连接节段模型。

2.根据权利要求1所述的解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构，其特征是：主体悬挂装置通过底板与主体支撑架相连，主体悬挂装置的各构件通过螺栓和轴承连接。

3.根据权利要求2所述的解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构，其特征是：竖向导柱通过紧定螺钉固定在支座中，支座用螺栓精确定位在底板上，竖向滑块通过直线滑移轴承穿插在竖向导柱上。

4.根据权利要求3所述的解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构，其特征是：竖向滑块两端之间用螺栓安装了水平导柱，水平滑块通过直线滑移轴承穿插在水平导柱上，并在水平滑块的前端用螺栓固定着承力板和刻度盘，在其另一端用螺栓安装了端盖，端盖内带有轴承用于安装旋转轴。

5.根据权利要求4所述的解耦型桥梁节段模型自由振动悬挂结构，其特征是：旋转轴上用平键固定了承力盘，旋转轴的前端用紧定螺钉固定着连接板。

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