CN110796932A - 浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬浮隧道物理实验装置领域，具体涉及一种浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法。浮力模拟装置用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，包括吊装件和顶部固定件，吊装件的第一端与顶部固定件相连，吊装件的第二端用于与待研究对象相连；吊装件用于对待研究对象提供与重力反向的拉力，通过所述拉力模拟浮力，吊装件被构造为：允许待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量。悬浮隧道结构研究装置和研究方法包括上述的浮力模拟装置。本发明提供的方案中，通过设置吊装件提供拉力，用于模拟待研究对象在液体中时受到的浮力，而由于结构位于空气中，因此摒弃了液体的影响，有利于反映结构本身的力学特性。

Description

浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮隧道物理实验装置，特别是一种浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法。

背景技术

悬浮隧道由净浮力和锚索索力共同作用，悬浮在水域的一定深度处，浮力是结构平衡体系的重要组成部分。现有技术中对于悬浮隧道的物理实验研究往往局限于水槽试验，但在水下实验中，由于水体对悬浮隧道模型本身存在较为明显的干扰，因此，水下实验虽然是悬浮隧道物理实验研究中的重要一环，但其不利于实验人员了解悬浮隧道结构本身的力学特性，故对于悬浮隧道的物理模型实验研究而言，仅仅有水下实验是不够的。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的仅仅存在水槽实验研究的问题，提供一种浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法，以达到研究悬浮隧道结构在无水环境下的受力行为、加深对悬浮隧道结构体系本身特性的认识的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种浮力模拟装置，用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，包括吊装件和顶部固定件，吊装件的第一端与顶部固定件相连，吊装件的第二端用于与待研究对象相连；吊装件用于对待研究对象提供与重力反向的拉力，吊装件被构造为：允许待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量。本发明提供的方案中，浮力模拟装置中设置吊装件，通过吊装件提供拉力，用于模拟待研究对象在水中时受到的浮力，使得结构所受到的外力与在水中时基本相同，而由于结构位于空气中，因此在实验时摒弃了水体的影响，从而有利于反映和研究结构本身的力学特性。上述的浮力模拟装置的使用范围可以不仅限于悬浮隧道的研究中，也可以用于对其他水下或水面结构的结构本身力学特性研究中；上述浮力模拟装置的使用范围可以不限于对待研究对象在水中所受的浮力模拟，也可以用于模拟待研究对象在其他液态流体中所受到的浮力。

作为本发明的优选方案，顶部固定件包括顶梁和连接件，连接件设于顶梁上，吊装件的第一端与连接件相连。通过上述的方案，在需要通过该浮力模拟装置模拟与重力大小相等的浮力时，即模拟待研究对象漂浮于流体上、或悬浮于与自身密度相等的流体中时，通过该顶部固定件和吊装件连接待研究对象，在待研究对象的重力作用下，吊装件对待研究对象作用与重力大小相等、方向相反的拉力，则该拉力能够用于模拟浮力。

作为本发明的优选方案，吊装件包括至少两个吊绳，顶梁上设有至少两个用于与吊绳相连的连接件，连接件在顶梁上均匀分布。在上述优选方案中，通过至少两个均匀分布的吊绳连接待研究对象，使得待研究对象上受到的拉力均匀分布，更加接近于浮力的真实作用情况。

作为本发明的优选方案，吊绳采用柔性材料制成。在上述优选方案中，在吊绳提供拉力的同时，可以避免对待研究对象施加过大的径向力以至于对待研究对象在水平方向上的变形产生超出实验允许误差范围的影响，从而使得吊绳提供的拉力尽可能地接近于浮力。具体的，柔性材料可以选择为：编织麻绳、鱼线、钢丝等等。进一步的，在管体产生的水平位移一定的情况下，吊绳的长度越长，吊绳的变位角度就越小，吊绳拉力在水平方向上的分力就越小。吊绳的变位角度是指：吊绳的水平位移与吊绳长度的比值。

进一步的，吊绳的长度这样设置：使得吊绳变位角度余弦值的最大值在0.05 以内。

作为本发明的优选方案，连接件包括定滑轮和重物，吊绳的第一端与重物相连，重物用于与待研究对象置于定滑轮的两侧。在上述优选方案中，通过重物与定滑轮的配合，使得吊装件上施加的拉力恒定，更加接近于浮力作用的真实情况。一旦确定了待研究对象的排水体积和需要模拟的流体环境，即可以计算得到需要模拟的浮力，从而可以据此确定重物的重力，并通过定滑轮将重物的重力施加到待研究对象上。通过这种方案，可以通过调节定滑轮上连接的重物的重力模拟各种待研究对象在各种流体中所受到的浮力，适用范围更广，且吊装件上作用的拉力大小恒定、更接近于真实情况。

作为本发明的优选方案，顶梁为长条状结构，定滑轮的数量为至少两个，至少两个定滑轮沿顶梁的长度方向均布；至少两个吊绳连接在同一重物上。通过上述的优选方案，每一个重物均与至少两个吊绳配合，调节一个重物的位置，即相当于同时调整至少两吊绳的位置，使得调节难度降低，另外，在同一个重物上相连的各个吊绳的长度相等的情况下，还可以通过观察重物的方向是否与水平面平行，以判定统一重物上相连的各个吊绳上的张力是否相等。

作为本发明的优选方案，连接件还包括动滑轮，定滑轮和动滑轮组成滑轮组结构，吊绳与滑轮组配合，吊绳一端与重物相连。通过设置动滑轮，通过重量较小的重物可以提供相对较大的拉力，有利于减小成本。

作为本发明的优选方案，吊装件包括吊杆，吊杆的第一端与连接件铰接。在本发明中，除了使用柔性的吊绳，还可以通过吊杆与连接件铰接的方式来实现对浮力的模拟。原因在于，虽然吊杆的刚度往往较大，在实验时无法忽略吊杆刚性的影响，但由于吊杆的上端与连接件采用铰接的方式相连，在外力沿水平方向作用于悬浮隧道模型、且悬浮隧道模型不产生剧烈变形时，吊杆可以允许悬浮隧道模型沿水平方向产生位移，从而吊杆本身的刚性实际上不会对悬浮隧道弹性模型的变形产生明显影响，因此，也可以认为吊杆对悬浮隧道模型的拉力可以模拟竖直向上的浮力。

作为本发明的优选方案，浮力模拟装置还包括锚固组件，锚固组件一端与地面相连，锚固组件另一端与待研究对象相连。通过上述的方案，待研究对象受到吊装件作用的拉力(该拉力用于模拟浮力)、重力以及锚固组件作用的外力，通过调节锚固组件与待研究对象之间的相互作用力，可以调节吊装件上的拉力，从而调整该浮力模拟装置用于模拟的浮力的大小。在需要通过该浮力模拟装置模拟与重力大小不等的浮力时，即模拟待研究被放置于与自身密度不等的流体中时，可以通过锚固组件对待研究对象施加额外的外力，以调节吊装件上的拉力，从而改变拉力的大小，使吊装件上的拉力与待模拟的浮力大小相等。

一种悬浮隧道结构研究装置，包括悬浮隧道模型和上述的浮力模拟装置；悬浮隧道模型作为待研究对象；锚固组件一端与地面相连，锚固组件另一端用于与悬浮隧道模型相连，浮力模拟装置的吊装件与悬浮隧道模型相连。在实验时，锚固组件用于提供悬浮隧道模型的锚固力，通过浮力模拟装置模拟浮力，此时，对悬浮隧道模型施加载荷，即可以模拟出在两端未约束的情况下，悬浮隧道结构本身的受力响应。

作为本发明的优选方案，悬浮隧道结构研究装置还包括端部约束装置，端部约束装置包括铰接装置和/或固接装置。通过设置端部约束装置，即可以模拟出在端部铰接约束或固接约束下，悬浮隧道结构本身的受力响应。

作为本发明的优选方案，端部约束装置包括铰接装置和固接装置，铰接装置用于与悬浮隧道模型相连，固接装置包括卡接件和限位件，卡接件上形成可打开的卡合空间，卡合空间用于与悬浮隧道模型适配，限位件用于与悬浮隧道模型可拆卸相连，限位件在与悬浮隧道模型相连的状态下，用于阻止悬浮隧道模型在卡合空间中转动和沿轴向平动。

作为本发明的优选方案，固接装置包括第一卡块和第二卡块，第一卡块与第二卡块可拆卸地相连，第一卡块与第二卡块用于拼接形成卡合空间。通过上述结构，第一卡块与第二卡块卡接在一起时，悬浮隧道模型置于卡合空间中，卡合空间的内壁对悬浮隧道模型形成约束，限制模型上与卡合空间相连的部位在悬浮隧道模型横截面所在平面内的平动，以及该段绕悬浮隧道模型横截面内任意直线方向的转动。

作为本发明的优选方案，限位件被构造为键，卡合空间内壁设有与限位件适配的键槽。

作为本发明的优选方案，铰接装置包括角接触球轴承和防扭组件；角接触球轴承的内圈用于与悬浮隧道模型适配，防扭组件与角接触球轴承的外圈固定相连，防扭组件用于阻止悬浮隧道模型与角接触球轴承的配合段相对于角接触球轴承外圈发生转动。

本发明优选方案中的铰接装置采用上述结构，首先，通过角接触球轴承与悬浮隧道模型相连，当仅仅由铰接装置提供约束时，悬浮隧道模型与角接触球轴承相连的部位被允许在角接触球轴承的接触角范围内发生转动，这种转动与现有技术中常见的球铰连接中的转动是大致相同的，区别在于：转动的幅度受到角接触球轴承的接触角的限制，使得转动幅度较小，但在本申请中，悬浮隧道模型是细长件，铰接约束设置于端部，连接段可能产生的转动幅度往往在几度的范围内，因此，角接触球轴承能够提供的转动幅度可以满足本申请方案的要求，而角接触球轴承的成本远远低于尺寸相适配的球铰支座的成本；采用角接触球轴承，也无需在悬浮隧道模型上设置专门的铰接头，连接更加方便；其次为了防止悬浮隧道模型相对于角接触球轴承的外圈发生转动，设置防扭组件，防扭组件与外圈和悬浮隧道模型相连，从而提供可靠的铰接约束。

作为本发明的优选方案，防扭组件包括防扭环与防扭杆，防扭环上设有用于防扭杆穿过的连接孔，连接孔一端贯通至防扭环内表面，连接孔另一端贯通至防扭环外表面；防扭环与角接触球轴承的外圈固定相连，防扭环用于套设于悬浮隧道模型，防扭环的内径大于角接触球轴承的内径。

防扭组件采用上述的结构，防扭环与防扭杆配合，防止悬浮隧道模型上与角接触球轴承相连的一段产生自转，另外，防扭环的内径大于角接触球轴承的内径，使得防扭环的设置不影响悬浮隧道模型在铰接约束下的变形。

作为本发明的优选方案，防扭杆上用于与悬浮隧道模型适配相连的一端被构造为半球头结构。使用时，悬浮隧道模型上设置于该半球头结构适配的半球形凹槽，悬浮隧道模型在外力作用和端部铰接约束作用下发生变形时，防扭杆上的半球头结构与悬浮隧道模型中的半球形凹槽中转动，使得防扭杆的设置不会对悬浮隧道模型的变形产生不利影响，有利于得到更加可靠的实验结果。

作为本发明的优选方案，锚固组件包括至少两根缆索，缆索一端用于与悬浮隧道模型相连，缆索另一端用于与地面相连；缆索包括缆线、张紧装置、弹簧和拉力测量装置，张紧装置、弹簧和拉力测量装置通过缆线相连。实验时，弹簧用于提供缆索的刚性，使得锚固组件中的缆索与原型保持弹性相似，张紧装置用于调节缆索上的初张力，拉力测量装置用于测量缆索上的拉力。上述的锚固组件和缆索的结构，实验时，可以用于模拟不同刚度的缆索对悬浮隧道的锚固，也可以得到不同初张力下的悬浮隧道弹性模型的受力响应。

一种悬浮隧道结构的研究方法，用于安装上述的悬浮隧道结构研究装置，包括以下步骤：将悬浮隧道结构连接装置上的吊装件的一端连接到顶部固定件上，吊装件另一端连接到悬浮隧道模型上；将锚固组件一端连接到悬浮隧道模型上，锚固组件另一端连接到地面；调节锚固组件上的张紧力和吊装件上的拉力；对悬浮隧道模型施加载荷，观察悬浮隧道模型在载荷作用下的响应。本发明提供的研究方法可以在空气中进行，通过竖直向上的拉力模拟悬浮隧道受到的浮力，从而能够排除水体的影响，得到悬浮隧道本身的结构特性，有助于加深对悬浮隧道结构本身的了解。

作为本发明的优选方案，悬浮隧道结构研究装置还包括端部约束装置，所述端部约束装置包括铰接装置和/或固接装置；在所述调节锚固组件上的张紧力和吊装件上的拉力之前，所述研究方法还包括以下步骤：在悬浮隧道模型的端部安装端部约束装置。本发明提供的研究方法中，通过端部约束装置对悬浮隧道模型提供不同的端部约束，有利于在不同约束条件下，悬浮隧道结构的受力响应。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的浮力模拟装置通过吊装件提供拉力，用于模拟悬浮隧道模型在液体中时受到的浮力，使得结构所受到的外力与在水或其他液态流体中时基本相同，而由于结构位于空气中，因此在响应时摒弃了水或其他液态流体的影响，从而有利于反应结构本身的力学特性；

2、本发明提供的悬浮隧道结构研究装置和研究方法通过浮力模拟装置模拟浮力，同时还包括锚固组件，在实验时，锚固组件用于提供悬浮隧道模型的锚固力，通过浮力模拟装置模拟浮力，此时，对悬浮隧道模型施加载荷，即对悬浮隧道模型本身的结构特性进行研究。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的浮力模拟装置的结构示意图。

图2是本发明实施例2提供的浮力模拟装置的结构示意图。

图3是本发明实施例3提供的浮力模拟装置的结构示意图。

图4是本发明实施例3提供的第一种顶部固定件的结构示意图。

图5是本发明实施例3提供的第二种顶部固定件的结构示意图。

图6是本发明实施例3提供的第三种顶部固定件的结构示意图。

图7是本发明实施例4提供的顶部固定件的结构示意图。

图8是本发明实施例5提供的第一种锚固组件的结构示意图。

图9是图8中A部的局部放大图。

图10是本发明实施例5提供的第二种锚固组件的结构示意图。

图11是本发明实施例5提供的第三种锚固组件的结构示意图。

图12是本发明实施例5提供的第四种锚固组件的结构示意图。

图13是图12中B部的局部放大图。

图14是本发明实施例5提供的端部约束装置的结构示意图。

图15是本发明实施例5提供的铰接装置的结构示意图。

图16是本发明实施例5提供的铰接装置的防扭件的结构示意图。

图17是与防扭件适配的悬浮隧道模型的结构示意图。

图18是本发明实施例5提供的固接装置的结构示意图。

图标：1-浮力模拟装置；2-锚固组件；3-端部约束装置；4-悬浮隧道模型； 11-吊装件；12-顶部固定件；121-顶梁；122-连接环；123-定滑轮；124-重物； 125-动滑轮；21-缆索；211-缆线；212-张紧装置；213-弹簧；214-拉力测量装置；22-导向组件；221-导轨；222-滑块；223-连接件；23-锚固滑轮；31-铰接装置；32-固接装置；33-支座；311-角接触球轴承；312-防扭杆；313-防扭环；321-第一卡块；322-第二卡块；323-限位件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例提供了一种浮力模拟装置1，这种浮力模拟装置 1用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，其包括吊装件11和顶部固定件12。

吊装件11的第一端与顶部固定件12相连，吊装件11的第二端用于与待研究对象相连，吊装件11用于吊起待研究对象，从而对待研究对象提供与重力反向的拉力。吊装件11被构造为：允许待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量，即：一方面，吊装件11吊起待研究对象，从而模拟浮力；另一方面，在外载作用下时，吊装件11不会在待研究对象的水平方向上产生阻力、或吊装件11产生的水平向阻力不足以阻止待研究对象在水平方向上产生位移或位移分量。从而使得待研究对象在外载的作用下能够产生位移或变形，从而更加准确地模拟水下环境。

具体的，顶部固定件12包括顶梁121和连接件223，连接件223设置于顶梁121上。在本实施例中，连接件223被设置为连接环122结构。吊装件11包括至少两吊绳。一个吊绳与一个连接环122对应相连。吊绳采用柔性材料制成，例如，吊绳可以被设置为：软的编织绳、鱼线等等。吊绳上设有用于监测吊绳拉力的应变片。

本实施例提供的浮力模拟装置1的工作原理及有益效果在于：

本发明提供的浮力模拟装置1用于在无水环境下使用，通过吊绳提供竖直向上的拉力，用于模拟待研究对象在水中或其他流体中所受到的浮力。在无其他外载作用时，上述结构中的吊绳所受到的总拉力与重物124的重力相等，即：上述结构可以用于模拟待研究对象漂浮于液体表面(浮力等于重力)或悬浮于等密度的流体中(浮力等于重力)的情形。而此时，待研究对象没有被水体包围，因此其在外力作用下的响应能够真实地反应结构本身的特性，从而有助于加深对结构本身特性的了解。

实施例2

请参阅图2，本发明实施例提供了一种浮力模拟装置1，本实施例中的浮力模拟装置1包括吊装件11、顶部固定件12和锚固组件2。

吊装件11的第一端与顶部固定件12相连，吊装件11的第二端用于与待研究对象相连，吊装件11用于吊起待研究对象，从而对待研究对象提供与重力反向的拉力。吊装件11被构造为：允许待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量，即：一方面，吊装件11吊起待研究对象，从而模拟浮力；另一方面，在外载作用下时，吊装件11不会在待研究对象的水平方向上产生阻力、或吊装件11产生的水平向阻力不足以阻止待研究对象在水平方向上产生位移或位移分量。从而使得待研究对象在外载的作用下能够产生位移或变形，从而更加准确地模拟水下环境。

具体的，顶部固定件12包括顶梁121和连接件223，连接件223设置于顶梁121上。在本实施例中，连接件223被设置为连接环122结构。吊装件11包括至少两吊绳。一个吊绳与一个连接环122对应相连。吊绳采用柔性材料制成，例如，吊绳可以被设置为：软的编织绳、鱼线等等。吊绳上设有用于监测吊绳拉力的应变片或拉力计。

锚固组件2一端与待研究对象相连，锚固组件2另一端与地面相连。本实施例中，锚固组件2包括至少两个缆绳，缆绳用于对待研究对象提供额外的拉力，从而调整吊绳上的力、调整待模拟的浮力的大小。

本实施例提供的浮力模拟装置1的工作原理及有益效果在于：

本发明提供的浮力模拟装置1用于在无水环境下使用，通过吊绳提供竖直向上的拉力，用于模拟待研究对象在水中或其他流体中所受到的浮力。并可以通过调节缆绳对待研究对象的作用力，调节吊绳上的拉力，即：上述结构可以用于模拟待研究对象的浮力与重力不相等的情形。而此时，待研究对象没有被水体包围，因此其在外力作用下的响应能够真实地反应结构本身的特性，从而有助于加深对结构本身特性的了解。

实施例3

请参阅图3，本实施例提供了一种浮力模拟装置1，这种浮力模拟装置1用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，其包括吊装件11和顶部固定件12。

吊装件11的第一端与顶部固定件12相连，吊装件11的第二端用于与待研究对象相连，吊装件11用于吊起待研究对象，从而对待研究对象提供与重力反向的拉力。吊装件11被构造为：允许待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量，即：一方面，吊装件11吊起待研究对象，从而模拟浮力；另一方面，在外载作用下时，吊装件11不会在待研究对象的水平方向上产生阻力、或吊装件11产生的阻力不足以阻止待研究对象在水平方向上产生位移或位移分量。从而使得待研究对象在外载的作用下能够产生位移或变形，从而更加准确地模拟水下环境。

请参阅图4及图5，具体的，顶部固定件12包括顶梁121和连接件223，连接件223设置于顶梁121上。在本实施例中，连接件223包括定滑轮123和重物124，吊装件11包括若干个吊绳。一个吊绳与一个定滑轮123对应配合。吊绳的第一端连接在重物124上。进一步的，可以在一个吊绳上连接一个重物 124，也可以将多个吊绳连接在同一重物124上。吊绳上设有用于监测吊绳拉力的应变片或拉力计。

请参阅图6，在其他实施方式中，连接件223还可以这样设置，连接件223 包括定滑轮123和动滑轮125。吊绳依次缠绕在定滑轮123和动滑轮125上，吊绳的第一端连接在重物124上，从而可以减少需要使用的重物124的重量，便于调节，也有利于节约成本。

本实施例提供的浮力模拟装置1的工作原理及有益效果在于：

通过设置滑轮结构，使吊绳上的拉力恒定，能够更好地模拟浮力作用的情况。

实施例4

请参阅图7，本实施例提供了一种浮力模拟装置1，这种浮力模拟装置1用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，其包括吊装件11和顶部固定件12。

吊装件11的第一端与顶部固定件12相连，吊装件11的第二端用于与待研究对象相连，吊装件11用于吊起待研究对象，从而对待研究对象提供与重力反向的拉力。吊装件11被构造为：允许待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量，即：一方面，吊装件11吊起待研究对象，从而模拟浮力；另一方面，在外载作用下时，吊装件11不会在待研究对象的水平方向上产生阻力、或吊装件11产生的阻力不足以阻止待研究对象在水平方向上产生位移或位移分量。从而使得待研究对象在外载的作用下能够产生位移或变形，从而更加准确地模拟水下环境。

具体的，顶部固定件12包括顶梁121和连接件223，连接件223设置于顶梁121上。在本实施例中，吊装件11包括吊杆，吊杆的第一端与连接件223铰接，使得吊杆可以相对于顶梁121绕顶梁的长度方向转动。具体的，吊杆与连接件223之间可以是球铰连接。

本实施例提供的吊装件11采用吊杆结构，其同样能够实现对浮力的模拟，原理在于：由于吊杆的上端与连接件223采用铰接的方式相连，在外力沿水平方向作用于待研究对象、且待研究对象不产生剧烈变形时，吊杆本身的刚性实际上不会对待研究对象的变形产生明显影响，因此，也可以认为吊杆对待研究对象的拉力可以模拟竖直向上的浮力。吊杆上设有用于监测吊杆拉力的应变片或拉力计。

实施例5

请参阅图2、图8-图18，本实施例提供了一种悬浮隧道结构研究装置，其基于实施例1、实施例3或实施例4中的浮力模拟装置1，在此基础上，还包括锚固组件2和端部约束装置3，待研究对象为悬浮隧道模型4。

该悬浮隧道模型4是指：能够通过实验得到悬浮隧道在径向、轴向和周向的受力和变形情况的模型。相比于现有的二维水槽试验中使用的二维模型，本实施例中的悬浮隧道模型4的长度较长，使得试验人员能够观测到其在外力作用下的挠度。

锚固组件2包括多组缆索21。每一组缆索21中包括至少两根缆索21。缆索21一端用于连接在悬浮隧道模型4上，另一端用于连接于地面。缆索21包括缆线211、张紧装置212、弹簧213和拉力测量装置214，张紧装置212、弹簧213和拉力测量装置214通过缆线211相连。

每一组中的缆索21可以设置为如图8、图9、图10、图11和图12中的连接方式。在沿悬浮隧道模型4的长度方向上，各组缆索21均匀分布。

进一步的，锚固组件2还包括导向组件22，导向组件22包括导轨221、滑块222、连接件223和锚固滑轮23。导轨221与地面相连，导轨221的横截面呈T形结构，滑块222与导轨221可锁止地滑动相连。具体的，滑块222上设有孔，导轨221上设有多个孔，连接件223设置为螺杆，螺杆一端与滑块222 上的孔相连，螺杆另一端与导轨221上的另一个孔相连。锚固滑轮23设置于滑块222上。缆索21的端部与套设在锚固滑轮23上。通过上述的方案，可以通过移动滑块222，使锚索的锚固形式发生变化。

端部约束装置3包括铰接装置31、固接装置32和支座33，铰接装置31用于与悬浮隧道模型4相连，固接装置32包括卡接件和限位件323，卡接件上形成可打开的卡合空间，卡合空间用于与悬浮隧道模型4适配，限位件323用于与悬浮隧道模型4可拆卸相连，限位件323在与悬浮隧道模型4相连的状态下，用于阻止悬浮隧道模型4在卡合空间中转动和沿轴向平动。

铰接装置31包括角接触球轴承311和防扭组件。角接触球轴承311套设于悬浮隧道模型4上，角接触球轴承311能够用于阻止悬浮隧道模型4沿X、Y轴方向上的平动，由于角接触球轴承311存在接触角，其能够允许悬浮隧道模型4 绕X轴和绕Y轴产生转动，悬浮隧道模型4绕X轴和Y轴转动的幅度受限于角接触球轴承311的接触角。实际中，角接触球轴承311的接触角往往为10°以上，又由于悬浮隧道模型4为细长构件，实验中能够达到的转动幅度较小，通常为10°以内，因此可以认为在铰接装置31的约束下，悬浮隧道模型4可以绕 X轴和绕Y轴自由转动。

防扭组件用于阻止悬浮隧道模型4相对于角接触球轴承311的外圈发生转动，即用于阻止悬浮隧道模型4产生绕Z轴的转动，也可以阻止悬浮隧道模型4 产生沿Z轴方向的平动。角接触球轴承311的内圈与悬浮隧道模型4的尺寸适配，具体的，角接触球轴承311的内圈与悬浮隧道模型4采用过渡配合，便于悬浮隧道模型4与角接触球轴承311之间的安装。

防扭组件包括防扭环313和防扭杆312。防扭环313套设于悬浮隧道模型4 上。角接触球轴承311的外圈与防扭环313固定相连，具体的，在本发明中，角接触球轴承311的外圈与防扭环313一体成型设置。防扭环313的内圆的直径大于悬浮隧道模型4的直径，使得防扭环313与悬浮隧道模型4相连时，防扭环313的内表面与悬浮隧道模型4之间具有间隙。防扭环313上设有连接孔，连接孔一端贯通至防扭环313的内表面，连接孔另一端贯通至防扭环313 的外表面。防扭杆312为杆状结构，防扭杆312穿过连接孔并与悬浮隧道模型4 表面抵接。具体的，在悬浮隧道模型4的表面设置半球形凹槽，防扭杆312的端部设置为半球头结构，如此，防扭杆312端部的半球头结构与半球形凹槽配合，悬浮隧道模型4在铰接约束下发生运动时，防扭杆312端部的球头结构在半球形凹槽中发生转动，从而可以减小防扭杆312的设置对悬浮隧道运动的影响。

通过上述的铰接装置31，悬浮隧道模型4在X、Y、Z轴方向上的平动均被约束，绕Z轴转动的自由度也被约束，悬浮隧道模型4被允许产生绕X轴和Y 轴的转动。

固接装置32与铰接装置31呈间隔地设置，固接装置32包括卡接件和限位件323。卡接件上形成一个可以打开的卡合空间，卡合空间用于悬浮隧道模型4 适配，限位件323与悬浮隧道模型4可拆卸地相连。卡接件用于约束悬浮隧道模型4在X方向和Y方向上的平动、绕X轴和Y轴的转动。限位件323用于约束悬浮隧道模型4在Z方向上的平动和绕Z轴的转动。

卡接件包括第一卡块321和第二卡块322，第一卡块321和第二卡块322可拆卸地相连。本实施例中，第一卡块321一端与第二卡块322一端通过螺栓可拆卸相连，第一卡块321另一端与第二卡块322另一端通过螺栓可拆卸相连。第二卡块322设于支座33上，并与支座33固定相连，第一卡块321用于置于第二卡块322的上方。

卡合空间的内壁设有键槽，具体的，由于悬浮隧道模型4的体积较大，为了便于安装，将键设置于悬浮隧道模型4的上端，即键槽设置于第二卡块322 上。键槽一段贯通至第二卡块322的表面，具体的，键槽一端贯通至第二卡块 322靠近悬浮隧道端部的表面。

限位件323为键。悬浮隧道模型4上也设置键槽，从而可以通过键与悬浮隧道模型4和第一卡块321的配合，达到约束悬浮隧道模型4在Z方向上的平动和绕Z轴的转动的目的。

使用时，在悬浮隧道模型4的一端设置一个端部约束装置3，且使固接装置 32位于靠端部的位置，铰接装置31位于相对靠近中间的位置，在悬浮隧道模型 4的另一端固定连接于地面或墙面，连接悬浮隧道模型4与固接装置32和铰接装置31；

在需要进行提供铰接约束时，拆卸固接装置32上的螺栓，使第一卡块321 与第二卡块322分离，打开卡合空间，解除固接装置32对悬浮隧道模型4的约束；在需要提供固接约束时，使限位件323位于键槽中，并连接第一卡块321 和第二卡块322即可；

另外，本实施例中，使键槽一端贯通至第一卡块321上靠近悬浮隧道模型4 端部的表面，能够便于安装。在实验时，悬浮隧道模型4的中部发生变形，限位件323受到一个作用方向指向悬浮隧道模型4中部的力，此时第一卡块321 上的键槽的端面可以起到实验所需要的约束作用。

本实施例还提供了一种悬浮隧道结构的研究方法，其基于上述的悬浮隧道结构研究装置，包括以下步骤：

步骤一、在悬浮隧道模型4的端部安装端部约束装置3；

具体的，在悬浮隧道模型4的一端安装该端部约束装置3，另一端固定连接于地面或墙面上。

步骤二、将悬浮隧道结构研究装置上的吊装件11的一端连接到顶部固定件 12上，吊装件11另一端连接到悬浮隧道模型4上；

步骤三、将锚固组件2一端连接到悬浮隧道模型4上，锚固组件2另一端连接到地面；

步骤四、调节锚固组件2上的张紧力和吊装件11上的拉力；

具体的，对锚固组件2的锚索上的张紧力逐个调节，使得吊装件11上的各个吊绳或吊杆的拉力能够基本保持一致。

步骤五、对悬浮隧道模型4施加载荷，观察悬浮隧道模型4在载荷作用下的响应。

在载荷施加的过程中，若要切换端部的约束状态，例如，若需要端部铰接约束，则拆下固接装置32，再进行载荷的施加。若需要端部固接约束，则安装上固接装置32，再进行载荷的施加。

在本发明的其他实施方式中，若需要研究悬浮隧道模型4在两端自由的情况下的响应，则无需进行步骤一，直接从步骤二开始进行实验即可。

本发明提供的悬浮隧道结构的研究装置及研究方法的有益效果在于：

通过提供向上的拉力模拟浮力，从而能够在空气中进行悬浮隧道模型4的浮力的模拟，有助于排除水体对悬浮隧道模型4的受力响应的影响，对悬浮隧道模型4本身的结构特性有更加清晰的了解；

通过设置端部约束装置3，能够模拟多种约束状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种浮力模拟装置，其特征在于，用于模拟待研究对象在液体中受到的浮力，所述浮力模拟装置包括吊装件和顶部固定件，所述吊装件的第一端与所述顶部固定件相连，所述吊装件的第二端用于与待研究对象相连；

所述吊装件用于对所述待研究对象提供与重力反向的拉力，通过所述拉力模拟浮力，所述吊装件被构造为：允许所述待研究对象在垂直于重力的方向上产生位移或位移分量。

2.根据权利要求1所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述顶部固定件包括顶梁和连接件，所述连接件设于所述顶梁上，所述吊装件的第一端与所述连接件相连。

3.根据权利要求2所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述吊装件包括至少两个吊绳，所述顶梁上设有至少两个用于与吊绳相连的连接件，所述连接件在所述顶梁上均匀分布。

4.根据权利要求3所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述吊装件采用柔性材料制成。

5.根据权利要求4所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述连接件包括定滑轮和重物，所述吊绳的第一端与所述重物相连，所述重物用于与所述待研究对象置于所述定滑轮的两侧。

6.根据权利要求5所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述顶梁为长条状结构，所述定滑轮的数量为至少两个，至少两个所述定滑轮沿所述顶梁的长度方向均布；

至少两个所述吊绳连接在同一所述重物上。

7.根据权利要求5所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述连接件还包括动滑轮，所述定滑轮和所述动滑轮组成滑轮组结构，所述吊绳与所述滑轮组配合，所述吊绳一端与所述重物相连。

8.根据权利要求2所述的浮力模拟装置，其特征在于，所述吊装件包括吊杆，所述吊杆的第一端与连接件铰接。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的浮力模拟装置，其特征在于，还包括锚固组件，所述锚固组件一端与地面相连，所述锚固组件另一端用于与所述待研究对象相连。

10.一种悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，包括悬浮隧道模型和权利要求9所述的浮力模拟装置，所述悬浮隧道模型作为所述待研究对象；

所述浮力模拟装置中的所述锚固组件一端与地面相连，所述锚固组件另一端与所述悬浮隧道模型相连；

所述浮力模拟装置的吊装件与所述悬浮隧道模型相连。

11.根据权利要求10所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，还包括端部约束装置，所述端部约束装置包括铰接装置和/或固接装置。

12.根据权利要求11所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，所述端部约束装置包括铰接装置和固接装置，所述铰接装置用于与所述悬浮隧道模型相连，所述固接装置包括卡接件和限位件，所述卡接件上形成可打开的卡合空间，所述卡合空间用于与所述悬浮隧道模型适配，所述限位件用于与所述悬浮隧道模型可拆卸相连，所述限位件在与所述悬浮隧道模型相连的状态下，用于阻止所述悬浮隧道模型在所述卡合空间中转动和沿轴向平动。

13.根据权利要求12所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，所述固接装置包括第一卡块和第二卡块，所述第一卡块与所述第二卡块可拆卸地相连，所述第一卡块与所述第二卡块用于拼接形成所述卡合空间。

14.根据权利要求12或13所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，所述限位件被构造为键，所述卡合空间内壁设有与所述限位件适配的键槽。

15.根据权利要求12所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，所述铰接装置包括角接触球轴承和防扭组件；

角接触球轴承的内圈用于与所述悬浮隧道模型适配，所述防扭组件与所述角接触球轴承的外圈固定相连，所述防扭组件用于阻止所述悬浮隧道模型与所述角接触球轴承的配合段相对于所述角接触球轴承外圈发生转动。

16.根据权利要求15所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，所述防扭组件包括防扭环与防扭杆，所述防扭环上设有用于所述防扭杆穿过的连接孔，所述连接孔一端贯通至所述防扭环内表面，所述连接孔另一端贯通至所述防扭环外表面；

所述防扭环与所述角接触球轴承的外圈固定相连，所述防扭环用于套设于所述悬浮隧道模型，所述防扭环的内径大于所述角接触球轴承的内径。

17.根据权利要求16所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，所述防扭杆上用于与所述悬浮隧道模型适配相连的一端被构造为半球头结构。

18.根据权利要求10所述的悬浮隧道结构研究装置，其特征在于，所述锚固组件包括至少两根缆索，所述缆索一端用于与所述悬浮隧道模型相连，所述缆索另一端用于与所述地面相连；

所述缆索包括缆线、张紧装置、弹簧和拉力测量装置，所述张紧装置、所述弹簧和所述拉力测量装置通过所述缆线相连。

19.一种悬浮隧道结构的研究方法，其特征在于，基于权利要求10-18中任意一项所述的悬浮隧道结构研究装置，包括以下步骤：

将悬浮隧道结构研究装置上的吊装件的一端连接到顶部固定件上，吊装件另一端连接到悬浮隧道模型上；

将锚固组件一端连接到悬浮隧道模型上，锚固组件另一端连接到地面；

调节锚固组件上的张紧力,调整悬浮隧道管体线形挠度至预设范围内；

对悬浮隧道模型施加载荷，观察悬浮隧道模型在载荷作用下的响应。

20.根据权利要求19所述的研究方法，其特征在于，悬浮隧道结构研究装置还包括端部约束装置，所述端部约束装置包括铰接装置和/或固接装置；

在所述调节锚固组件上的张紧力和吊装件上的拉力之前，所述研究方法还包括以下步骤：

在悬浮隧道模型的端部安装端部约束装置。

21.根据权利要求19所述的研究方法，其特征在于，所述预设范围为：悬浮隧道管体的挠度在悬浮隧道管体长度的五百分之一以内。

Images