CN109307580B - 一种考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑气动干扰效应的同步气弹‑测压风洞试验装置，应用在风洞试验装置领域，固定于风洞内的试验台，以及设置在试验台上的试验单元。本发明能同步进行测压试验和气弹试验，全面反应模型振动对风荷载的影响，并且测量出模型振动过程中的空气惯性力，使获得的实际由风引起的气动力结果更加精确，并且在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，将建筑群存在的气动干扰效应因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对气弹特性和风压特性影响的研究，为气弹特性和风压特性的技术领域提供更贴切实际的理论研究支持。

Description

一种考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置

技术领域

本发明属于风洞试验装置领域，具体涉及一种考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置。

背景技术

在设计超高层建筑时，结构的风致响应是设计过程中需要重点考虑的因素，因此在设计超高层建筑时，须用风洞试验来对试验单元的风致效应进行研究。

现有技术中，可用于研究试验单元风致效应的试验装置功能都较为单一，比如，常见的风洞测压试验所用的试验装置，其无法对模型在风致作用下的振动进行模拟，其测到的压力未包含结构振动的影响(流固耦合的影响)，因此测量结果无法全面反应模型振动对风荷载的影响，并且模型振动过程中会存在空气惯性力，现有的试验系统多忽略了对该因素力的测量，因此得到的实际由风引起的气动力结果不够精确。又如常见的风洞气弹试验所用的试验装置，由于无法测到作用在结构上的气动力，因此其测量结果也存在片面性。有少数能够在一套装置上进行测压试验和气弹试验的试验设备，却只能将测压试验和气弹试验两个试验分别进行，实验效率较低，且试验数据无法反应出振动对模型的影响。

并且，现有试验装置中，多是单独对一个建筑模型进行气弹或测压试验，都忽略了一个实际情况，即建筑结构基本不会是独栋分布，通常为多栋建筑同时修筑于某一区域内，风场作用于该建筑区域所有建筑结构时，各建筑结构彼此之间会产生“气动干扰效应”，即各建筑结构之间会存在气动干扰，这将直接影响到建筑结构的气弹特性(建筑结构振动幅度和频率)和风压特性(垂直横风方向的气动力)。而影响该气动干扰效应的因素主要在于建筑的高低、大小、方位布置。建筑的高低、大小可通过实际模型的制备来进行选择，建筑的方位布置则是指各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角。若是无法在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，即无法真实的模拟实际建筑群中各建筑结构之间的气动干扰对建筑结构气弹特性和风压特性产生的影响；尽管有少数试验装置中布置有多个试验单元用以模拟建筑群，但是同样无法调节各建筑结构的相对位置的，即无法在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对气弹特性和风压特性影响的研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，能同步进行测压试验和气弹试验，全面反应模型振动对风荷载的影响，并且测量出模型振动过程中的空气惯性力，使获得的实际由风引起的气动力结果更加精确，并且在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，将建筑群存在的气动干扰效应因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对气弹特性和风压特性影响的研究，为气弹特性和风压特性的技术领域提供更贴切实际的理论研究支持。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，包括固定于风洞内的试验台，以及设置在试验台上的试验单元，所述试验台周向封闭，顶面开设有若干同心的圆环状滑槽；各滑槽之间的径向间距d相等，各滑槽的开口宽度r相等；所述试验单元分为主试验单元和辅试验单元两类，其中主试验单元有一个，设置于所有滑槽的共同圆心处；辅试验单元至少有一个，可滑动设置于滑槽内并可通过紧固套件固定；主试验单元和辅试验单元结构完全相同，均包括建筑模型、安装座、基板、围挡和激光位移传感器；所述基板水平固定于围挡上并置于风洞试验区域内；所述围挡可使基板上表面为有试验风一侧，下表面为无试验风一侧；所述基板中央垂直开设有安装孔；所述安装孔在水平方向上的左右两侧呈圆弧形；所述安装座通过一根转轴可转动设置于基板的安装孔内，且其水平方向上的左右两侧呈与安装孔型面相契合匹配的圆弧形；所述转轴平行试验风风向设置，且其轴心位于基板水平方向上的中轴线M上；所述安装座及安装孔左右两侧的圆弧形的圆心均在转轴的轴心处；对于单个主试验单元或辅试验单元，其包含的建筑模型有完全相同的两个，分别连接设置于安装座的上下侧并关于中轴线M对称，每个建筑模型在垂直试验风风向的左右两侧设有风力传感器，且设置在两个建筑模型上的风力传感器关于中轴线M对称；所述激光位移传感器垂直下侧的建筑模型的左/右侧设置于围挡内。

优选的，所述紧固套件包括滑杆和紧定螺母；所述滑杆上段为光滑圆杆，下段开设有螺纹，滑杆上段连接于辅试验单元的围挡下方，并贯穿滑槽后，由紧定螺母沿滑杆下段的螺纹锁紧固定。

优选的，所述紧定螺母为上部带有橡胶凸点的防松螺母。

优选的，所述主试验单元底部通过一个过渡座连接于一个二维移动平台；所述二维移动平台可沿水平面的X、Y向带动过渡座做0～±d范围内的运动；主试验单元周向通过一圈波纹密封层与试验台的顶面连接。

优选的，所述波纹密封层在X及Y向的单侧宽度D至少为各滑槽之间的径向间距d的1.2倍。

优选的，还包括设置在试验台顶面厚度方向的密封块；所述密封块两两相对设置在每个滑槽内，且相对侧呈圆头型，背离侧通过水平设置的复位弹簧连接于试验台厚度方向内侧；在无外力作用下，每个滑槽内的密封块两两相顶，将滑槽密封；在有垂直外力作用时，密封块克服复位弹簧作用力被顶开，取消外力作用后，在复位弹簧的作用下恢复密封块的顶紧、滑槽的密封状态。

优选的，所述风力传感器在每一个建筑模型高度方向上均布设有多个。

优选的，所述安装座与安装孔相契合匹配的圆弧形面之间的距离为1～3mm。

优选的，还包括柔性袋；所述柔性袋呈冗状连接于上侧建筑模型与基板上表面之间，以及下侧建筑模型与基板下表面之间，将安装座与安装孔相契合匹配的圆弧形面之间的间隙完全覆盖。

优选的，还包括设置在围挡内侧位于基板下方的立柱；所述立柱上开设有竖向滑道；所述激光位移传感器可滑移设置在设有竖向滑道内并通过压紧螺栓定位。

本发明的有益效果在于：

1、本发明能同步进行测压试验和气弹试验，全面反应模型振动对风荷载的影响，并且测量出模型振动过程中的空气惯性力，使获得的实际由风引起的气动力结果更加精确。

2、本发明可在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，将建筑群存在的气动干扰因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对气弹特性和风压特性影响的研究，为气弹特性和风压特性的技术领域提供更贴切实际的理论研究支持。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例一俯视图；

图2为实施例一中试验单元俯视图；

图3为实施例一中试验单元正面剖视图；

图4为图1中A-A截面视图；

图5为图1中辅试验单元旋转角度α后结构示意图；

图6为实施例二在图4状态下结构示意图；

图7为图6右侧局部放大示意图。

附图中标记如下：风洞1、试验台2、滑槽21、试验单元3、建筑模型31、安装座32、基板33、安装孔331、围挡34、激光位移传感器35、转轴36、风力传感器37、滑杆4、紧定螺母5、过渡座6、二维移动平台7、波纹密封层8、密封块9、复位弹簧10、柔性袋11、立柱12、竖向滑道121、压紧螺栓122。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例一

如图1～5，一种考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，包括固定于风洞1内的试验台2，以及设置在试验台2上的试验单元3，所述试验台2周向封闭，顶面开设有若干同心的圆环状滑槽21；各滑槽21之间的径向间距d相等，以保证辅试验单元能相对主试验单元以等量调节的方式靠近或远离主试验单元，各滑槽21的开口宽度r相等，以保证辅试验单元的通用安装；所述试验单元3分为主试验单元和辅试验单元两类，其中主试验单元有一个，设置于所有滑槽21的共同圆心处；辅试验单元至少有一个，可滑动设置于滑槽21内并可通过紧固套件固定；主试验单元和辅试验单元结构完全相同，如图2、3，均包括建筑模型31、安装座32、基板33、围挡34和激光位移传感器35；所述基板33水平固定于围挡34上并置于风洞试验区域内；所述围挡34可使基板33上表面为有试验风一侧，下表面为无试验风一侧；所述基板33中央垂直开设有安装孔331；所述安装孔331在水平方向上的左右两侧呈圆弧形；所述安装座32通过一根转轴36可转动设置于基板33的安装孔内，且其水平方向上的左右两侧呈与安装孔331型面相契合匹配的圆弧形；所述转轴36平行试验风风向设置，且其轴心位于基板33水平方向上的中轴线M上；所述安装座32及安装孔331左右两侧的圆弧形的圆心均在转轴36的轴心处；对于单个主试验单元或辅试验单元，其包含的建筑模型31有完全相同的两个，分别连接设置于安装座的上下侧并关于中轴线M对称，每个建筑模型31在垂直试验风风向的左右两侧设有风力传感器37，且设置在两个建筑模型31上的风力传感器37关于中轴线M对称；所述激光位移传感器35垂直下侧的建筑模型31的左/右侧设置于围挡34内。

试验开始前，根据试验需求，先构建建筑群。建筑群可以由一个主试验单元及其周围的若干辅试验单元构成，其中使主试验单元位于试验台2中心并相对固定，辅试验单元根据需求选择其数量，构建不同规模的建筑群，然后将辅试验单元分别通过紧固套件固定于不同的圆环状滑槽21上，参见图1、图4和图5，不同的圆环状滑槽21意味着主试验单元与辅试验单元之间不同的距离L，距离L的调节最小刻度为d，即距离L调节的最小计量单位为d，即为各滑槽21之间的径向间距。同一圆环状滑槽21的不同位置意味着辅试验单元相对风向、或相对主试验单元而言不同的夹角α，夹角α可实现连续调节。至此，实现了在一套试验装置中实现多建筑结构布置的模拟，并将建筑群存在的气动干扰因素纳入考量范围，同时方便调节各建筑结构的相对位置，即各建筑之间的距离，以及相对风向而言的夹角，实现在一套试验装置中进行不同建筑的方位布置对气弹特性和风压特性影响的研究。

试验进行时，将预先制作好的建筑模型31两个对称的安装于主试验单元及辅试验单元的安装座32的上下侧，然后将主试验单元及辅试验单元按上文指定位置置于风洞1内。风洞启动后，试验风风向如图1所示，作用于试验单元，对应图3中风向，建筑模型31在横风作用下会发生如图3中绕转轴36的左右方向的摆动。

由于上侧的建筑模型31与下侧的建筑模型31关于中轴线M对称，且每个建筑模型1在垂直试验风风向的左右两侧设有风力传感器37，且设置在两个建筑模型31上的风力传感器37关于中轴线M对称，参考图3，即风力传感器A-a对称，B-b对称，C-c对称，D-d对称，以风力传感器A-a为例，A点可测得试验风力FA的大小，a点可测得对应于A点的空气惯性力的大小Fa，那么FA-Fa就是实际由风引起的气动力大小。该对称式建筑模型及风力传感器的布置，可测出同一点的空气惯性力的大小，再将该点测得的试验风力减去惯性力，就可获得完全由风引起的气动力，相对于常规风洞试验测到的包含空气惯性力的气动力数据，本发获得的完全由风引起的气动力数据更加真实准确。

与此同时，通过激光位移传感器35测得实际发生在建筑模型31上的振动幅度和振动频率(通过记录振动幅度的改变频次获得频率)，实现同步进行测压试验和气弹试验，在考量了流固耦合的影响后，全面反应模型振动对风荷载的影响，为气弹特性和风压特性的技术领域提供更贴切实际的理论研究支持。

需要特别说明的是，上述风力传感器37及激光位移传感器35的布线方式以信号接收、数据获取方式均为本领域的常规设置，故本申请不做赘述。

进一步的，本实施例采用的紧固套件包括滑杆4和紧定螺母5；所述滑杆4上段为光滑圆杆，下段开设有螺纹，滑杆4上段连接于辅试验单元的围挡34下方，并贯穿滑槽21后，由紧定螺母5沿滑杆4下段的螺纹锁紧固定，当然，这只是固定辅试验单元于滑槽21上的一种方式，本领域技术人员应当知晓，也可以采用其他具有良好调节及定位的结构。

进一步的，本实施例采用的紧定螺母5为上部带有橡胶凸点(图中未示出)的防松螺母，本实施例仅指出了一种防松螺母的结构，基于风洞内试验风较大，对紧固套件的稳定性要求较高的特点，本领域技术人员应当知晓，也可以采用其他结构的防松螺母。

进一步的，本实施例采用的主试验单元底部通过一个过渡座6连接于一个二维移动平台7；所述二维移动平台7可沿水平面的X、Y向带动过渡座6做0～±d范围内的运动；其中二维移动平台分别沿X、Y轴的运动实现及控制方式为成熟的现有技术，故不赘述。运动范围控制在0～±d之内，是基于主试验单元与辅试验单元之间的距离L的调节最小刻度为d考虑，既然夹角α可实现连续调节，那么二维移动平台10的选择也是为了距离L能够间接的实现连续调节，从而提高整个试验装置中，建筑群之间方位的任意调节性，可以更精确的模拟更多种建筑群的布置形式。

主试验单元周向通过一圈波纹密封层8与试验台2的顶面连接，波纹密封层8即能吸收主试验单元调节时的位移压迫变形，又能够避免试验风窜入试验台内部。

进一步的，本实施例采用的波纹密封层8在X及Y向的单侧宽度D至少为各滑槽之间的径向间距d的1.2倍。因为波纹密封层8在单侧宽度D上最大会被压缩d的距离，基于波纹密封层8的可压迫程度考虑，故作此设计。

进一步的，本实施例采用的风力传感器37在每一个建筑模型31高度方向上均布设有多个。该设计可一次性实现多处的实际由风引起的气动力大小，提高试验效率，同时也方便分析不同高度处实际由风引起的气动力与激光位移传感器测得振幅、频率之间的关系。

进一步的，本实施例采用的安装座32与安装孔331相契合匹配的圆弧形面之间的距离为1～3mm，该间距可保证安装座32在基板33内可绕转轴36自由旋转，又不至于基板33上侧的试验风窜风至基板33下侧干扰试验数据测量。

进一步的，本实施例还包括柔性袋11；所述柔性袋11呈冗状连接于上侧建筑模型与基板上表面之间，以及下侧建筑模型与基板下表面之间，将安装座32与安装孔331相契合匹配的圆弧形面之间的间隙完全覆盖。冗状设置的柔性袋11可吸收建筑模型31的摆动幅度，并且完全覆盖掉安装座32与安装孔331之间的间隙，彻底杜绝窜风的情况出现。

进一步的，本实施例还包括设置在围挡34内侧位于基板33下方的立柱12；所述立柱12上开设有竖向滑道121；所述激光位移传感器35可滑移设置在设有竖向滑道121内并通过压紧螺栓122定位。风力传感器11在上、下侧的建筑模型31高度方向上均布设有多个，如图1中风力传感器A、B、C、D和a、b、c、d，配合上述激光位移传感器35在立柱12上可自由滑移调节位置的特性，可以实现测量建筑模型不同高度处在风致响应下的气压力与振动幅度之间的关系，以风力传感器A举例，只需将激光位移传感器7高度方向上调节至下侧建筑模型上与风力传感器A对应的位置，即风力传感器a所在的位置即可，就能测得上侧建筑模型在风力传感器A处的振动幅度，将该测得的振动幅度与风力传感器A测得的压力值比对即可。

实施例二

如图6、7，与实施例一的区别在于，本实施例中，还包括设置在试验台2顶面厚度方向的密封块9；所述密封块9两两相对设置在每个滑槽内，且相对侧呈圆头型，背离侧通过水平设置的复位弹簧10连接于试验台厚度方向内侧；在无外力作用下，每个滑槽内的密封块9两两相顶，将滑槽21密封；在有垂直外力作用时，密封块9克服复位弹簧10作用力被顶开，取消外力作用后，在复位弹簧10的作用下恢复密封块9的顶紧、滑槽21的密封状态。从实施例一中我们不难发现，其滑槽21的开口宽度r再小也存在窜风的风险，因此设计密封块9结构，配合复位弹簧10使用，使有辅试验单元及滑杆4插入滑槽21时，密封块9借助其圆头型结构被顶开，而其他没有插入滑杆4，或是在滑杆4取出后的滑槽21内，则由两两相顶密封块9将滑槽21密封，避免窜风的情况出现。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，包括固定于风洞内的试验台，以及设置在试验台上的试验单元，其特征在于：

所述试验台周向封闭，顶面开设有若干同心的圆环状滑槽；各滑槽之间的径向间距d相等，各滑槽的开口宽度r相等；

所述试验单元分为主试验单元和辅试验单元两类，其中主试验单元有一个，设置于所有滑槽的共同圆心处；辅试验单元至少有一个，可滑动设置于滑槽内并可通过紧固套件固定；

主试验单元和辅试验单元结构完全相同，均包括建筑模型、安装座、基板、围挡和激光位移传感器；

所述基板水平固定于围挡上并置于风洞试验区域内；所述围挡可使基板上表面为有试验风一侧，下表面为无试验风一侧；所述基板中央垂直开设有安装孔；

所述安装孔在水平方向上的左右两侧呈圆弧形；

所述安装座通过一根转轴可转动设置于基板的安装孔内，且其水平方向上的左右两侧呈与安装孔型面相契合匹配的圆弧形；

所述转轴平行试验风风向设置，且其轴心位于基板水平方向上的中轴线M上；

所述安装座及安装孔左右两侧的圆弧形的圆心均在转轴的轴心处；

对于单个主试验单元或辅试验单元，其包含的建筑模型有完全相同的两个，分别连接设置于安装座的上下侧并关于中轴线M对称，每个建筑模型在垂直试验风风向的左右两侧设有风力传感器，且设置在两个建筑模型上的风力传感器关于中轴线M对称；

所述激光位移传感器垂直下侧的建筑模型的左/右侧设置于围挡内；

所述主试验单元底部通过一个过渡座连接于一个二维移动平台；所述二维移动平台可沿水平面的X、Y向带动过渡座做0～±d范围内的运动；主试验单元周向通过一圈波纹密封层与试验台的顶面连接；

所述波纹密封层在X及Y向的单侧宽度D至少为各滑槽之间的径向间距d的1.2倍；

所述试验台顶面具有一定厚度；还包括设置在试验台顶面厚度方向内的密封块；所述密封块两两相对设置在每个滑槽内，且相对侧呈圆头型，背离侧通过水平设置的复位弹簧连接于试验台厚度方向内侧；在无外力作用下，每个滑槽内的密封块两两相顶，将滑槽密封；在有垂直外力作用时，密封块克服复位弹簧作用力被顶开，取消外力作用后，在复位弹簧的作用下恢复密封块的顶紧、滑槽的密封状态。

2.根据权利要求1所述的考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，其特征在于：所述紧固套件包括滑杆和紧定螺母；所述滑杆上段为光滑圆杆，下段开设有螺纹，滑杆上段连接于辅试验单元的围挡下方，并贯穿滑槽后，由紧定螺母沿滑杆下段的螺纹锁紧固定。

3.根据权利要求2所述的考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，其特征在于：所述紧定螺母为上部带有橡胶凸点的防松螺母。

4.根据权利要求1所述的考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，其特征在于：所述风力传感器在每一个建筑模型高度方向上均布设有多个。

5.根据权利要求1所述的考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，其特征在于：所述安装座与安装孔相契合匹配的圆弧形面之间的距离为1～3mm。

6.根据权利要求5所述的考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，其特征在于：还包括柔性袋；所述柔性袋呈冗状连接于上侧建筑模型与基板上表面之间，以及下侧建筑模型与基板下表面之间，将安装座与安装孔相契合匹配的圆弧形面之间的间隙完全覆盖。

7.根据权利要求6所述的考虑气动干扰效应的同步气弹-测压风洞试验装置，其特征在于：还包括设置在围挡内侧位于基板下方的立柱；所述立柱上开设有竖向滑道；所述激光位移传感器可滑移设置在竖向滑道内并通过压紧螺栓定位。