CN108414186B - 一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，属于桥梁风洞试验装置技术领域。桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、轻质刚性杆、轻质刚性圆轮毂、第一细绳、线性拉伸弹簧和第二细绳。本装置可实现桥梁模型自由竖向和扭转大振幅耦合自由振动，竖向弹簧只有伸缩变形而不发生侧向倾斜，不存在传统自由振动试验装置中弹簧发生明显倾斜而无法保证线性扭转刚度的问题；本装置简单，安装方便，易于调节初始攻角，由于细绳与轮毂之间为滚动摩擦，因此机械阻尼比很低。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以实现桥梁刚性模型大振幅的、且能够保证线性竖向刚度和线性扭转刚度的自由振动风洞试验装置，具体涉及到通过竖置线性拉伸弹簧、在两端固定模型的轻质刚性圆形轮毂、连接弹簧与轮毂的高强细绳构成的系统，将桥梁模型的大振幅竖向和扭转耦合自由振动转化为线性弹簧的竖向自由伸缩，利用弹簧的线性拉伸刚度和圆形刚性轮毂实现系统的线性竖向平动和线性转动刚度。由于系统在整个大幅耦合振动过程中，质量和质量惯矩始终不变，因此竖向平动和绕轮毂中心转动频率保持恒定。
背景技术
竖向和扭转耦合自由振动法是桥梁风洞试验测振(涡振、抖振、驰振、颤振)的一种主要方法，也是桥梁颤振导数识别的一种重要风洞试验方法。传统耦合自由振动试验装置采用弹簧悬挂主梁节段模型，优点在于装置简单，实现方便。对于小振幅弯扭耦合自由振动，竖向弹簧的侧向倾斜较小，弹簧近似满足竖向线性几何刚度条件。但当扭转振幅较大时，竖向弹簧发生明显侧向倾斜，弹簧几何刚度不满足线性条件，因此耦合振动系统的竖向和扭转刚度不再保持常数，而是与振幅相关，因此对后续试验结果造成不可接受的明显误差。竖向和扭转耦合自由振动振幅越大，弹簧侧向倾斜越大，试验误差也越大。一般认为当扭转振幅在2°之内时，误差基本可以忽略。但对于研究大振幅的扭转振动情况，如塔科马旧桥风毁时，扭转振幅达到惊人的35°，采用传统自由竖向和扭转耦合自由振动试验装置根本无法模拟。即使振幅达到10°，结果可能就已经完全错误。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对风洞试验中桥梁及其他结构构件节段模型大振幅竖向和扭转耦合自由振动的需要，提供一种可以有效避免试验过程中非线性因素，保证大振幅竖向和扭转耦合线性自由振动试验装置。竖向和扭转耦合自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、刚性杆、圆形轮毂、线性拉伸弹簧和细绳。
本发明的技术方案：
一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、轻质刚性杆2、轻质刚性圆轮毂3、第一细绳4、线性拉伸弹簧5和第二细绳6；刚性试验模型1两端固结刚性杆2，刚性杆2垂直穿过轮毂3的中心并与其固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与刚性杆2轴线、轮毂3中心线共线；第一细绳4缠绕在轮毂3的凹槽内，构成动滑轮，第一细绳4一端与轮毂3底部固定，另一端与弹簧5下端连接，保证刚性试验模型1和轮毂3在竖向和扭转耦合自由振动过程中，轮毂3与第一细绳4之间仅发生相对滚动；第二细绳6限制刚性试验模型1在风致大幅耦合自由振动过程中的侧向振动；刚性试验模型1在做竖向和扭转耦合自由振动过程中，第一细绳4带动弹簧5做上下竖直运动，弹簧5在伸缩过程中只产生竖向拉伸变形而不发生侧向倾斜。
所述的轮毂3的直径根据刚性试验模型1的质量、质量惯矩及扭转频率与竖弯频率的比值等几个参数确定，一般在0.2m‐1.5m范围内。当轮毂3的直径在0.2m‐0.7m范围内时，轮毂3一般可以采用自行车轮毂，既方便又经济；直径较大的轮毂3可以采用轻质刚性合金铝型材加工。
所述的第一细绳4和第二细绳6的线性抗拉刚度远大于弹簧5刚度，轻质高强、抗扭和抗弯刚度基本可以忽略，保证第一细绳4可以自由缠绕在轮毂3上。对于一般刚性试验模型1，由于质量和振动频率都不太高，因此市面上很多细绳都可满足要求。
所述的第一细绳4不一定要固结在轮毂3的底部，只要保证在振动过程中固结点不会高于细绳4与轮毂3的相切点即可。另外，在振动过程中弹簧5与第一细绳4的连接点也不能低于第一细绳4与轮毂3的相切点。
所述的轮毂3也不一定是一个完整的圆形，为了减轻质量，上下都可以切削掉一部分弧段，只要保证在整个振动过程中第一细绳4始终有一部分缠绕在轮毂3上，一部分与弹簧5共同保持竖直即可。
所述的第二细绳6具有轻质、高强、无抗弯抗扭等特性。由于刚性试验模型1会有竖向振动，因此第二细绳6一端会绕固定点转动。第二细绳6刚度不能太大，否则会限制模型的上下振动。第二细绳6长度可以在1.5m‐3m范围内取值，以适应刚性试验模型1的竖向和扭转耦合振动。无风条件下，第二细绳6可以稍微有些预张力。
本发明的有益效果：将桥梁刚性模型竖向和扭转耦合大幅自由振动位移转化为弹簧的竖向线性拉伸变形，而不发生侧向倾斜，满足几何刚度线性条件。另外，自由振动过程中线性弹簧的拉伸刚度不变，系统质量和质量惯矩不变，圆形轮毂保证力臂也不变，因此系统竖向、扭转刚度及振动频率在整个振动过程中都保持不变，成功避免了传统方法试验过程中弹簧倾斜引起的几何非线性和刚度非线性问题。如果仅有单自由度竖向振动，则模型两端两侧的四根弹簧做同向伸缩变形。如果仅有单自由度扭转振动，则模型任意一端两侧的两根弹簧做反向伸缩变形，而模型上游或下游的对应两根弹簧做同向伸缩变形。如果有竖向和扭转耦合自由振动，弹簧则做以上伸缩变形的线形叠加。另外，该试验装置有以下优点：(1)造价低。相对于传统自由振动测试装置，少了一个连接弹簧5和刚性杆2的水平吊臂，多了一个圆形轮毂部件和细绳。直径在20‐70cm范围内的轮毂可以采用自行车轮毂，市面上很容易买到，价格低廉(几十到几百元不等，铝合金、碳钢等)、自重轻(2kg之内)、并且强度刚度足够。大直径(一般不超过150cm)的可以采用合金铝型材自行加工，费用也并不高。(2)安装方便。与传统自由振动装置安装难度基本相当。(3)初始攻角调节简便。既可以采用传统自由振动装置调整方法，也可以采用更简便的模型和轮毂初始预转法。(4)可以实现大振幅线性耦合自由振动，这是本装置的最大优势，(5)细绳和轮毂之间为滚动摩擦，阻尼非常小，机械阻尼比很容易控制在0.5％之内。
附图说明
图1是桥梁刚性模型弯扭耦合自由振动风洞试验装置的构造图。
图中：1桥梁刚性模型；2刚性杆；3轮毂；4细绳；5线性拉伸弹簧；
6细绳。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、轻质刚性杆2、轻质刚性圆轮毂3、第一细绳4、线性拉伸弹簧5和第二细绳6；刚性试验模型1两端固结刚性杆2，刚性杆2垂直穿过轮毂3的中心并与其固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与刚性杆2轴线、轮毂3中心线共线；第一细绳4缠绕在轮毂3的凹槽内，构成动滑轮，第一细绳4一端与轮毂3底部固定，另一端与弹簧5下端连接，保证刚性试验模型1和轮毂3在竖向和扭转耦合自由振动过程中，轮毂3与第一细绳4之间仅发生相对滚动；第二细绳6限制刚性试验模型1在风致大幅耦合自由振动过程中的侧向振动；刚性试验模型1在做竖向和扭转耦合自由振动过程中，第一细绳4带动弹簧5做上下竖直运动，弹簧5在伸缩过程中只产生竖向拉伸变形而不发生侧向倾斜，确保竖向和扭转整个耦合振动过程中都是线性的，振动频率恒定。
Claims (4)
1.一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型(1)、轻质刚性杆(2)、轻质刚性圆轮毂(3)、第一细绳(4)、线性拉伸弹簧(5)和第二细绳(6)；
刚性试验模型(1)两端固结刚性杆(2)，刚性杆(2)垂直穿过轮毂(3)的中心并与其固定，且保证刚性试验模型(1)扭转中心线与刚性杆(2)轴线、轮毂(3)中心线共线；第一细绳(4)缠绕在轮毂(3)的凹槽内，第一细绳(4)一端与轮毂(3)底部固定，另一端与弹簧(5)下端连接，保证刚性试验模型(1)和轮毂(3)在竖向和扭转耦合自由振动过程中，轮毂(3)与第一细绳(4)之间仅发生相对滚动；第二细绳(6)限制刚性试验模型(1)在风致大幅耦合自由振动过程中的侧向振动；刚性试验模型(1)在做竖向和扭转耦合自由振动过程中，第一细绳(4)带动弹簧(5)做上下竖直运动，弹簧(5)在伸缩过程中只产生竖向拉伸变形而不发生侧向倾斜；
在振动过程中，轮毂(3)与第一细绳(4)的固结点不高于第一细绳(4)竖直段与轮毂(3)的相切点，弹簧(5)与第一细绳(4)的连接点不低于第一细绳(4)竖直段与轮毂(3)的相切点。
2.根据权利要求1所述的桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的轮毂(3)的直径为0.2m-1.5m，为圆形。
3.根据权利要求2所述的桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的圆形轮毂(3)的上下都可以切削掉一部分弧段以减轻其质量，且保证在振动过程中，第一细绳(4)始终有一部分缠绕在轮毂(3)上，一部分与弹簧(5)共同保持竖直。
4.根据权利要求1-3任一所述的桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，其特征在于，第二细绳(6)长度选为1.5m-3m，可绕固定点转动；以适应刚性试验模型(1)的在一定范围内的竖向和扭转耦合振动。
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