CN104050860B - 一种缆索风雨激励作用模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，包括矩形试验机架、试件、风荷载模拟系统、雨荷载模拟系统、模态捕捉系统和激励系统，所述试件的两端分别固定在矩形试验机架两侧的钢板墙上；所述风荷载模拟系统包括对称设置在试件两侧的电磁铁，所述电磁铁通过导线传输电流；所述雨荷载模拟系统设置在试件上方的矩形试验机架上，包括雨水生成装置；所述模态捕捉系统包括光源和光线感应屏，所述光源设置在试件一侧，沿其传播方向设置有光线感应屏；所述激励系统包括套环和激励器，所述套环的一端扣在试件上，另一端与激励器连接；本发明不仅能够调节风、雨等级，振动模态可捕捉，而且雨水可循环利用，环保效果好。

Description

一种缆索风雨激励作用模拟实验装置

技术领域

本发明涉及模拟结构性能实验装置领域，尤其是一种缆索风雨激励作用模拟实验装置。

背景技术

随着交通事业的迅速发展和越江跨海工程建设的需要，千米级的斜拉桥已经出现。拉索是斜拉桥的关键构件,考虑到拉索的柔性、相对较小的质量及较低的阻尼,在风雨作用下发生的所谓拉索风雨激振现象,往往引起拉索的大幅度振动, 它是目前已知的拉索振动形式中最强烈的一种，影响桥梁的安全运营和拉索的使用寿命。

风雨振动是20世纪80年代才发现的一种斜拉索风致振动现象，指在一定风速范围内,由于风、雨联合作用而引起的、处于一定姿态的斜拉索的大振幅振动。日本的Hikami在名港西大桥上首先发现风雨激振现象；Aratsu桥在建造时就发生了强烈的拉索振动，观测到的最大振幅为300mm；2000年建成的南京长江二桥，在通车前就发生了强烈的风雨激振,最大振幅超过500mm，致使用来减振的拉索油阻尼器遭到了破坏。

为了研究风雨激振机理,各国学者对其进行了大量的研究。现阶段风雨激振的研究手段主要有现场观测、风洞试验和理论分析。现场观测是最早用于研究风雨激振的手段，但是现场观测影响因素较多，为后处理分析带来了很大的困难。风洞试验成本较高，资源少，不易开展。此外拉索风雨激振又是一个固、液、气三相耦合系统,难以准确建立其运动微分方程。因此目前针对斜拉索的风雨激振研究尚缺乏一种有效的研究方式。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，不仅能够调节风、雨等级，振动模态可捕捉，而且雨水可循环利用，环保效果好。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，包括矩形试验机架、试件、风荷载模拟系统、雨荷载模拟系统、模态捕捉系统和激励系统，所述试件的两端分别固定在矩形试验机架两侧的钢板墙上；所述风荷载模拟系统包括对称设置在试件两侧的电磁铁，所述电磁铁通过导线传输电流；所述雨荷载模拟系统设置在试件上方的矩形试验机架上，包括雨水生成装置，所述雨水生成装置包括雨槽，所述雨槽一侧设有进雨孔，雨槽内设有多个雨孔，所述雨槽的底部设置有多个雨量控制孔，其内设有雨量控制杆，用于控制雨孔内雨水量；所述模态捕捉系统包括光源和光线感应屏，所述光源设置在试件一侧，沿其传播方向设置有光线感应屏；所述激励系统包括套环和激励器，所述套环的一端扣在试件上，另一端与激励器连接，所述激励器包括塑料纤维、拉力传感器、弹簧、垫片和挡片，所述套环的下端设置有塑料纤维，塑料纤维、拉力传感器和弹簧依次连接，所述弹簧的底端与挡片相连，所述弹簧与挡片之间设有垫片；

所述缆索风雨激励作用模拟实验装置还设有雨水循环系统，所述雨水循系统统包括雨水收集槽、水泵和水箱，所述雨水收集槽设置在试件下方，与试件、雨水生成装置同轴设置；所述雨水收集槽收集从雨水生成装置产生的雨水，通过出水管将水运输至水箱，水箱的一侧设置有水泵，通过水泵将水箱内的水经过进水管再送至雨水生成装置；

所述试件的两端通过锚具分别固定在矩形试验机架两侧的钢板墙上；

设置在试件两侧的电磁铁通过支撑杆固定在矩形试验机架上；

弹簧与挡片之间通过螺栓固定有垫片。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

风荷载模拟系统根据改变输入电流的大小模拟不同等级的风荷载；雨荷载模拟系统是利用不同大小的水滴在重力作用下下降，下降过程中水滴与试件产生碰撞，使水滴的重力势能部分转化为试件的动能，通过改变雨槽的有效雨孔面积来控制雨量的等级；

雨水循环系统是将雨水收集槽与雨槽建立联通关系，利用水泵调节水压，使雨水自动从雨水收集槽中流向雨槽并最终又回到雨水收集槽，达到雨水的重复利用；

模态捕捉系统是通过在试件下部设置光源发射光信号，试件上部设置光线感应屏以接收光信号，当光信号遇到试件时则不能被光线感应屏接收，最后光线感应屏上所有未接收光信号的区域即为试件的模态，研究人员可将光线感应屏信号再次转化，转化为图像形象的显示出来；

激励系统的是利用强度有限的塑料纤维材料突然断裂，并在断裂瞬间能量释放效应这一原理，使试件产生初始振动；

整个实验过程，由所述激励系统施加初始激励，同时所述风荷载模拟系统、所述雨荷载模拟系统模拟风雨共同作用使试件受力，并利用所述模态捕捉系统捕捉不同受力状态的振动模态。

附图说明

图1是本发明风雨激振作用模拟实验装置示意图。

图2是本发明雨荷载模拟系统示意图，其中2-a为效果图，2-b为俯视图，2-c为正视图。

图3是激励器系统示意图。

其中：1为雨水生成装置，2为矩形试验机架，3为水箱 ，4为水泵，5为进水管， 6为雨水收集槽，7为出水管 ，,8为支撑杆，9为电磁铁，10为导线，11为钢板墙，12为试件，13为激励器，14为锚具，15为光源，16为光线感应屏，1a为雨槽，1b为雨量控制孔，1c为雨量控制杆，1d为雨孔，1e为进雨孔，13a为套环，13b为塑料纤维，13c为拉力传感器，13d为弹簧，13e为螺栓，13f为垫片，13g为挡片。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

图1所示，一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，包括矩形试验机架2、试件12、风荷载模拟系统、雨荷载模拟系统、模态捕捉系统和激励系统，试件12的两端分别固定在矩形试验机架2两侧的钢板墙11上；试件12的两端通过锚具14分别固定在矩形试验机架2两侧的钢板墙11上。

风荷载模拟系统：包括对称设置在试件12两侧的电磁铁9，通过支撑杆8固定，在两磁铁间产生磁场，使试件12在磁场中受力；电磁铁9通过导线10传输电流，通过控制电流的输入大小调整磁场强度，使试件12不同程度受力，从而达到风荷载等级调节的目的。风荷载风分6个等级，分别为：0级风、1级风、2级风、3级风、4级风以及5级风，其中“0”级风代表此时没有风荷载，即电磁铁9两端电流为0。

雨荷载模拟系统：图2所示，其中2-a为效果图，2- b为俯视图，2-c为正视图。设置在试件12上方的矩形试验机架2上，包括雨水生成装置1，雨水生成装置1包括雨槽1a，雨槽1a一侧设有进雨孔1e，雨槽1a内设有多个雨孔1d，雨槽1a的底部设置有多个雨量控制孔1b，其内设有雨量控制杆1c，用于控制雨孔1d内雨水量；水通过进雨孔1e进入雨水收集槽6，再由雨孔1d流下，雨量大小通过雨量控制孔1b中不同直径的雨量控制杆1c控制。其原理是改变雨槽1a底部雨孔1d的有效面积，使雨滴大小发生变化，从而达到模拟不同等级雨荷载的目的，雨荷载分为6个等级，分别为0级雨，1级雨、2级雨、3级雨、4级雨以及5级雨，其中“0”级雨代表此时没有雨荷载，即雨孔1d有效面积为0。

雨水循环系统，所述雨水循系统统包括雨水收集槽6、水泵4和水箱3，所述雨水收集槽6设置在试件12下方，与试件12、雨水生成装置1同轴设置；所述雨水收集槽6收集从雨水生成装置1产生的雨水，通过出水管7将水运输至水箱3，水箱3的一侧设置有水泵4，通过水泵4将水箱3内的水经过进水管5再送至雨水生成装置。

模态捕捉系统：包括光源15和光线感应屏16，光源15设置在试件12一侧，沿其传播方向设置有光线感应屏16；光信号从光源15发出，并由光线感应屏16接收，但如果光信号遇到试件12则不能达到光线感应屏16，使光线感应屏16产生盲区，集合光线感应屏16所有未接受到光信号的区域，即为该试件12在风雨荷载作用下的振动模态。

激励系统：图3所示，包括套环13a和激励器13，所述套环13a的一端扣在试件12上，另一端与激励器13连接，所述激励器13包括塑料纤维13b、拉力传感器13c、弹簧13d、垫片13f和挡片13g，所述套环13a的下端设置有塑料纤维13b，塑料纤维13b、拉力传感器13c和弹簧13d依次连接，所述弹簧13d的底端与挡片13g相连，所述弹簧13d与挡片13g之间设有垫片13f；套环13a的作用是使试件12与激励器13连接，套环13a下端设置具有一定强度的塑料纤维13b，塑料纤维13b的另一端与弹簧13d连接，并在弹簧13d设置一拉力传感器13c，以控制弹簧13d的拉力。弹簧13d下端与档片相连，可以在沿弹簧13d长度方向自由伸长，但由于受到垫片13f的阻碍使弹簧13d不能自由缩短。研究人员可在实验开始前，给弹簧13d一预拉力作用，当需要激励时，连续拉伸弹簧13d底部的档片，增大塑料纤维13b所受的拉力作用，最后使塑料纤维13b断裂，即完成激励的施加。因此激励器13装置的原理是通过改变弹簧13d的长度，以增大塑料纤维13b的预拉力，由于塑料纤维13b的强度有限，当受力达到一定程度时，塑料纤维13b会发生断裂，一方面断裂后弹簧13d迅速收缩不会影响试件12的受力，另一方面在断裂的瞬间试件12产生振动以达到初始激励施加的目的。

Claims (5)

1.一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，包括矩形试验机架、试件、风荷载模拟系统、雨荷载模拟系统、模态捕捉系统和激励系统，其特征在于：所述试件的两端分别固定在矩形试验机架两侧的钢板墙上；所述风荷载模拟系统包括对称设置在试件两侧的电磁铁，所述电磁铁通过导线传输电流；所述雨荷载模拟系统设置在试件上方的矩形试验机架上，包括雨水生成装置，所述雨水生成装置包括雨槽，所述雨槽一侧设有进雨孔，雨槽内设有多个雨孔，所述雨槽的底部设置有多个雨量控制孔，其内设有雨量控制杆，用于控制雨孔内雨水量；所述模态捕捉系统包括光源和光线感应屏，所述光源设置在试件一侧，沿其传播方向设置有光线感应屏；所述激励系统包括套环和激励器，所述套环的一端扣在试件上，另一端与激励器连接，所述激励器包括塑料纤维、拉力传感器、弹簧、垫片和挡片，所述套环的下端设置有塑料纤维，塑料纤维、拉力传感器和弹簧依次连接，所述弹簧的底端与挡片相连，所述弹簧与挡片之间设有垫片。

2.根据权利要求1所述的缆索风雨激励作用模拟实验装置，其特征在于：所述缆索风雨激励作用模拟实验装置还设有雨水循环系统，所述雨水循系统统包括雨水收集槽、水泵和水箱，所述雨水收集槽设置在试件下方，与试件、雨水生成装置同轴设置；所述雨水收集槽收集从雨水生成装置产生的雨水，通过出水管将水运输至水箱，水箱的一侧设置有水泵，通过水泵将水箱内的水经过进水管再送至雨水生成装置。

3.根据权利要求2所述的缆索风雨激励作用模拟实验装置，其特征在于：所述试件的两端通过锚具分别固定在矩形试验机架两侧的钢板墙上。

4.根据权利要求3所述的缆索风雨激励作用模拟实验装置，其特征在于：设置在试件两侧的电磁铁通过支撑杆固定在矩形试验机架上。

5.根据权利要求4所述的缆索风雨激励作用模拟实验装置，其特征在于：弹簧与挡片之间通过螺栓固定有垫片。