CN104236828B - 一种缆索风荷载磁场模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，包括一个缆索试件，所述的缆索试件固定在两块固定板之间，还包括风场生成系统、振动模态捕捉系统和风场调节系统。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用磁场模拟了风场，集成了风速调节、风向调节、自动激振、模态显示以及模态捕捉等功能，通过对电磁铁输入电流使电磁铁周围产生磁场，使缆索试件在磁场中受磁感应力，从而达到模拟风场的目的，研究人员还可以通过风场调节系统改变风场的大小、方向等，为研究人员准确研究缆索在不同风荷载的作用下的动力响应提供了有效的工具。
Description
技术领域
本发明属于结构性能实验领域，尤其涉及一种缆索风荷载磁场模拟实验装置。
背景技术
风荷载是结构的重要设计荷载，对于高层建筑结构、高耸结构和大跨度桥梁，有时甚至起决定性作用。1940年美国旧塔科马桥（Old Tacoma Narrows Bridge）因在8级大风(17m/s-20m/s)作用下发生强烈的风致振动后破坏而引起世人的重点关注，并最终在桥梁工程师与空气动力学专家密切合作下形成了一门新兴的边缘分支学科——桥梁风工程学。桥梁风工程研究在桥址处各种可能的风场条件下,桥梁结构的静力效应与动力响应，为新建桥梁的设计、施工提供解决方案。
随着我国交通事业的迅速发展，大跨径桥梁的建设已是今后我国桥梁工程发展的动向之一。至今我国已修建了为数甚多的各种类型的大跨径桥梁，其中也包括不少世界级水平的长桥、大桥，但与国外相比，在抗风制振措施上还考虑得有限。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥、刚性桥梁中的柔性构件，如拱桥的吊杆等，都必须进行桥梁风工程的研究。针对研究内容，桥梁风工程的研究方法主要有三种：风洞试验、现场观测以及数值模拟。
由于风洞试验的成本高和资源少现状，导致我国现阶段关于风荷载方面的研究大多依托现场观测和数值模拟。但现场观测干扰因素较大，车辆、日照等都将影响观测数据的准确性。而数值模拟又缺少必要的试验数据支撑，由此严重阻碍了我国风荷载研究的步伐。因此现阶段有必要开发一种有效模拟风荷载的试验装置。
发明内容
本发明需要解决的上述问题是针对上述现有技术风洞试验成本高和资源少，现场观测干扰因素较大，车辆、日照等都将影响观测数据的准确性，以及数值模拟又缺少必要的试验数据支撑等等的不足，而提供一种可以有效模拟风荷载的缆索风荷载磁场模拟实验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，包括一个缆索试件，所述的缆索试件固定在两块固定板之间，还包括风场生成系统、振动模态捕捉系统和风场调节系统；
所述的风场生成系统包括：两个电磁铁、转动杆和步进转动电机，所述的缆索试件设置在两个电磁铁的磁场中心，所述的两个电磁铁的一端分别固定在转动杆上，所述的转动杆与步进转动电机的动力输出端相连，所述的步进转动电机与风场调节系统电连接；所述的两个电磁铁的另一端分别通过导线与风场调节系统连接；
所述的振动模态捕捉系统包括：光源和光线感应屏，所述的光源和光线感应屏相对设置在缆索试件的两侧，且所述的光源的光线方向与缆索试件相垂直；
所述的风场调节系统包括：风场控制装置，所述的风场控制装置包括风速调节旋钮、激振按钮、模态捕捉按钮、控制器显示屏、风向调节旋钮、以及内置电路板，所述的内置电路板上集成有限流电阻、双刀双掷触点开关、信号转换器、以及步进转动电机控制系统；
所述的风速调节旋钮每一转动格均对应一个限流电阻，并将所述的限流电阻分别与两个电磁铁串联，所述的限流电阻用于改变电磁铁两端输入电流的大小；
所述的激振按钮与双刀双掷触点开关相连，用于改变流经电磁铁的电流的方向；
所述的模态捕捉按钮与信号转换器相连，用于将光线感应屏上的光信号转化为数字信号，传输到控制器显示屏，控制器显示屏又将数字信号转化为图像显示出来，按下模态捕捉按钮用于存储该时间段的数字信号；
所述的风向调节旋钮与步进转动电机控制系统连接，通过改变输入步进转动电机的脉冲数的参数来控制步进转动电机的转动角度，使磁场方向改变。
所述的固定板为钢板墙，且由超强钢材料制成。
所述的钢板墙的外侧分别设有用于提高了钢板墙抵抗变形能力的加劲肋，所述的加劲肋包括局部竖向加劲肋；整体竖向加劲肋；整体横向加劲肋。
所述的钢板墙的厚度为20mm。
在所述的钢板墙上设有缆索试件安装孔，所述的缆索试件穿过钢板墙上的缆索试件安装孔，并被锚具固定，且在锚具和钢板墙之间还设有垫片。
所述的电磁铁为矩形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用磁场模拟了风场，集成了风速调节、风向调节、自动激振以及模态捕捉等功能。先由风场调节系统给予缆索试件初始激振，初始激振的原理是迅速改变电流的输入方式使磁场方向迅速改变并回位，此时磁感应力的方向也将迅速改变，瞬时冲量转化为动量，使缆索试件产生激振。然后通过风场生成系统模拟风场使缆索试件受力振动，通过改变输入电磁铁的电流的大小以及电磁铁与缆索试件的相对位置分别改变磁场强度以及方向，使缆索试件所受磁感应力产生变化，以达到模拟调节风场的目的。过程中由振动模态捕捉系统捕捉缆索试件的振动模态，光源发射信号，信号遇到缆索试件时将返回至光源，导致无法被光线感应屏接收，光线感应屏上所有未接收到信号的区域即为缆索试件的振动模态，信号转换器将信号转化并传至风场调节系统，在控制器显示屏上以图像的方式直观的显示出来，通过风场调节系统中的风场控制装置的模态捕捉按钮可将所需的模态信息储存。为研究人员准确研究缆索在不同风荷载的作用下的动力响应提供了有效的工具。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明缆索风荷载磁场模拟实验装置示意图；
图2是本发明风场生成系统作用原理图；
图3是本发明钢板墙加劲肋布置示意图；
图4是本发明的风场控制装置示意图；
图5a是本发明的双刀双掷触点开关未按下激振按钮时的电路图；
图5b是本发明的双刀双掷触点开关按下激振按钮时的电路图。
其中，1、电磁铁；2、钢板墙；2a、局部竖向加劲肋；2b、整体竖向加劲肋；2c、缆索试件安装孔；2d、整体横向加劲肋；3、缆索试件；4、锚具；5、垫片；6、光源；7、光线感应屏；8、转动杆；9、步进转动电机；10、导线；11、控制器显示屏；12、风速调节旋钮；13、激振按钮；14、模态捕捉按钮；15、风向调节旋钮。
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。
如图1至图4所示，一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，包括一个缆索试件3，所述的缆索试件3固定在两块固定板之间，还包括风场生成系统、振动模态捕捉系统和风场调节系统；
所述的风场生成系统包括：两个电磁铁1、转动杆8和步进转动电机9，所述的缆索试件3设置在两个电磁铁1的磁场中心，所述的两个电磁铁1的一端分别固定在转动杆8上，所述的转动杆8与步进转动电机9的动力输出端相连，所述的步进转动电机9与风场调节系统电连接；所述的两个电磁铁1的另一端分别通过导线与风场调节系统连接；
所述的振动模态捕捉系统包括：光源6和光线感应屏7，所述的光源6和光线感应屏7相对设置在缆索试件3的两侧，且所述的光源6的光线方向与缆索试件3相垂直；光源6发出光线，光线遇到缆索试件时将返回至光源，导致无法被光线感应屏7接收，光线感应屏7上所有未接收到光线的区域即为缆索试件3的振动模态，
所述的风场调节系统包括：风场控制装置，所述的风场控制装置包括风速调节旋钮12、激振按钮13、模态捕捉按钮14、控制器显示屏11、风向调节旋钮15、以及内置电路板，所述的内置电路板上集成有限流电阻、双刀双掷触点开关、信号转换器、以及步进转动电机控制系统；
所述的风速调节旋钮12每一转动格均对应一个限流电阻，并将所述的限流电阻分别与两个电磁铁1串联，所述的限流电阻用于改变电磁铁1两端输入电流的大小；电流越大电磁铁1产生的磁力越大，电磁铁1对缆索试件3的吸引力的大小模拟风速的大小；
所述的激振按钮13与双刀双掷触点开关相连，用于改变流经电磁铁的电流的方向；图5a为未按下激振按钮13时的电路图，C、D触电分别与E、F触点相连，电流方向向右，图5b为按下激振按钮13时的电路图，C、D触电分别与A、B触点相连，电流方向向右；迅速按下激振按钮13并按回到初始位置位，电磁铁1两端电流的输入方向迅速改变，使电磁铁1产生的磁场方向瞬间变换并回位，由于荷载的迅速变换，将瞬时冲量转化为动量，使缆索试件3产生振动，完成激振的施加；
所述的模态捕捉按钮14与信号转换器相连，用于将光线感应屏7上的光信号转化为数字信号，传输到控制器显示屏11，控制器显示屏11又将数字信号转化为图像显示出来，按下模态捕捉按钮14用于存储该时间段的数字信号；
所述的风向调节旋钮15与步进转动电机控制系统连接，通过改变输入步进转动电机9的脉冲数的参数来控制步进转动电机9的转动角度，使磁场方向改变，电磁铁1的磁力方向模拟风向。
所述的固定板为钢板墙2，且由超强钢材料制成，结实坚固，抗变形能力强。
如图3所示，所述的钢板墙2的外侧分别设有用于提高了钢板墙2抵抗变形能力的加劲肋，所述的加劲肋包括局部竖向加劲肋2a；整体竖向加劲肋2b；整体横向加劲肋2d，保证钢板墙2的整体与局部抵抗变形的能力。
所述的钢板墙2的厚度为20mm，结实坚固，抗变形能力强。
在所述的钢板墙2上设有缆索试件安装孔2c，所述的缆索试件3穿过钢板墙2上的缆索试件安装孔2c，并被锚具4固定，且在锚具4和钢板墙2之间还设有垫片5。
所述的电磁铁1为矩形，当通入电流时电磁铁1间会场生磁场，缆索试件3在磁场的作用下受力，从而达到模拟风荷载的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用磁场模拟了风场，集成了风速调节、风向调节、自动激振、模态显示以及模态捕捉等功能，通过对电磁铁输入电流使电磁铁周围产生磁场，使缆索试件在磁场中受磁感应力，从而达到模拟风场的目的，先由风场调节系统给予缆索试件初始激振，然后通过风场生成系统模拟风场使缆索试件受力振动，过程中由振动模态捕捉系统捕捉缆索试件的振动模态，研究人员还可以通过风场调节系统改变风场的大小、方向等，为研究人员准确研究缆索在不同风荷载的作用下的动力响应提供了有效的工具。
Claims (6)
1.一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，包括一个缆索试件，所述的缆索试件固定在两块固定板之间，其特征在于：还包括风场生成系统、振动模态捕捉系统和风场调节系统；
所述的风场生成系统包括：两个电磁铁、转动杆和步进转动电机，所述的缆索试件设置在两个电磁铁的磁场中心，所述的两个电磁铁的一端分别固定在转动杆上，所述的转动杆与步进转动电机的动力输出端相连，所述的步进转动电机与风场调节系统电连接；所述的两个电磁铁的另一端分别通过导线与风场调节系统连接；
所述的振动模态捕捉系统包括：光源和光线感应屏，所述的光源和光线感应屏相对设置在缆索试件的两侧，且所述的光源的光线方向与缆索试件相垂直；
所述的风场调节系统包括：风场控制装置，所述的风场控制装置包括风速调节旋钮、激振按钮、模态捕捉按钮、控制器显示屏、风向调节旋钮、以及内置电路板，所述的内置电路板上集成有限流电阻、双刀双掷触点开关、信号转换器、以及步进转动电机控制系统；
所述的风速调节旋钮每一转动格均对应一个限流电阻，并将所述的限流电阻分别与两个电磁铁串联，所述的限流电阻用于改变电磁铁两端输入电流的大小；
所述的激振按钮与双刀双掷触点开关相连，用于改变流经电磁铁的电流的方向；
所述的模态捕捉按钮与信号转换器相连，用于将光线感应屏上的光信号转化为数字信号，传输到控制器显示屏，控制器显示屏又将数字信号转化为图像显示出来，按下模态捕捉按钮用于存储该时间段的数字信号；
所述的风向调节旋钮与步进转动电机控制系统连接，通过改变输入步进转动电机的脉冲数的参数来控制步进转动电机的转动角度，使磁场方向改变。
2.根据权利要求1所述的一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，其特征是：所述的固定板为钢板墙，且由超强钢材料制成。
3.根据权利要求2所述的一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，其特征是：所述的钢板墙的外侧分别设有用于提高了钢板墙抵抗变形能力的加劲肋，所述的加劲肋包括局部竖向加劲肋；整体竖向加劲肋；整体横向加劲肋。
4.根据权利要求2所述的一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，其特征是：所述的钢板墙的厚度为20mm。
5.根据权利要求2所述的一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，其特征是：在所述的钢板墙上设有缆索试件安装孔，所述的缆索试件穿过钢板墙上的缆索试件安装孔，并被锚具固定，且在锚具和钢板墙之间还设有垫片。
6.根据权利要求1所述的一种缆索风荷载磁场模拟实验装置，其特征是：所述的电磁铁为矩形。
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