CN111366349B - 一种质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置，所述大跨悬索桥动力试验装置通过主塔、柔性主缆、主梁、柔性吊杆、主缆基座和主塔基座形成悬索桥空间受力系统，柔性吊杆下端设置微型压力环来实现主体结构。该大跨悬索桥动力试验装置上还设置质量调节控制系统，包括若干配重砂箱和载入砂箱，配重砂箱磁性连接于主梁两侧，配重砂箱正上方设置载入砂箱，配重砂箱和载入砂箱底部有可独立控制的流砂口。本发明利用微型压力环精确测量吊杆拉力，保证试验装置与实际大跨悬索桥受力状态的一致性，通过独立控制的可控开关增加或减少配重砂箱的重量，实现动力试验装置质量的实时、精确和可控调节。

Description

一种质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置

技术领域

本发明属于桥梁试验装置，具体涉及一种质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置。

背景技术

桥梁作为现代化交通网络的关键节点，是国家经济和社会发展的重要基础设施，也是一个国家和地区经济能力、科学技术、生产技术等综合实力的体现。随着我国桥梁建造技术的不断发展，桥梁结构正朝着大跨、轻质、高强的方向发展，大跨度桥梁在工程中被日益广泛地采用。悬索桥具有跨越能力强、受力合理、能充分发挥材料强度、经济性高、轻盈美观和施工快捷等优势,一直是大跨和特大跨度桥梁的主要结构形式。

大跨悬索桥由于阻尼小、质量轻、频率低，极易在风荷载和车辆荷载等外部激励下发生剧烈振动。因此，动力特性是评定大跨悬索桥设计合理性和运营安全性的关键参数。大跨悬索桥动力试验装置是按照一定的比例对实际结构的质量、几何尺寸、材料强度和边界条件等参数进行缩小，在实验室建立的小尺寸悬索桥，能够有效表征实际大跨悬索桥的动力特性，是研究大跨悬索桥动力特性和运营安全的重要工具。不仅如此，大跨悬索桥动力特性的理论计算方法需要引入各种假定和简化，对于新设计的桥梁，其结果的正确性需要动力试验装置的结果进行验证。大跨悬索桥动力特性的数值计算方法的结果依赖于边界条件和材料参数，其结果的准确性也需要动力试验装置的结果进行验证。现场实测方法是基于现场测量的大跨悬索桥振动响应数据，通过一定的算法识别结构的动力特性，由于现场噪声、电磁场等各种因素的影响，识别算法的有效性必须通过动力试验装置的结果验证。由此可见，大跨悬索桥动力试验装置还是验证理论计算方法、数值模拟方法和现场实测方法准确性的有效手段。目前，动力试验装置已成为大跨悬索桥设计理论和计算方法发展的重要支撑。

大跨悬索桥在实际使用过程中，各种车辆不断上桥和下桥，雨雪天气的积水和积雪不断改变，因此，大跨悬索桥的质量是实时改变的。然而，已有大跨悬索桥动力试验装置的质量都是固定的，不能在试验过程中对质量进行改变，导致试验结果无法准确反映实际悬索桥的动力特性。另外，已有大跨悬索桥动力试验装置吊杆的张紧程度均由工程师根据经验调节，不能对吊杆拉力进行精确控制，进而无法对实际大跨悬索桥的动力特性准确模拟。因此，有必要提出能够实时调节质量的大跨悬索桥动力试验装置，同时能够通过测力装置达到对吊杆拉力的准确调节，以实现大跨悬索桥使用状态下的动力特性在实验室的高精度再现。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置。

技术方案：本发明所述的一种质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置，包括主塔、柔性主缆、主梁、柔性吊杆、主缆基座和主塔基座，主塔有两根竖直的立柱，立柱顶部有索鞍，两根立柱之间焊接水平上横梁和水平下横梁，水平下横梁上固定有橡胶支座，立柱底部焊接有连接板，主塔立柱连接板通过螺栓与主塔基座固定连接，柔性主缆从左至右依次穿过两座主塔的索鞍并悬挂于主塔上，柔性主缆可在索鞍内向左或向右自由滑动，柔性主缆两端锚固在主缆基座上，主梁通过柔性吊杆悬挂于柔性主缆上，主梁两端通过橡胶支座支撑于水平下横梁上；所述主梁上配置有质量调节控制系统，包括若干配重砂箱、载入砂箱、强力磁铁、倒L形支架和支架基座，配重砂箱通过强力磁铁磁性活动连接于主梁两侧，载入砂箱通过倒L形支架固定于配重砂箱正上方，载入砂箱不与配重砂箱接触，倒L形支架下端固定于支架基座，倒L形支架不与配重砂箱接触。

所述主梁包括左空心纵梁、右空心纵梁、空心连梁和重车导轨，左空心纵梁和右空心纵梁上均有吊杆孔，左空心纵梁和右空心纵梁对称布置于主梁两侧，左空心纵梁和右空心纵梁通过均匀布置的空心连梁焊接连接，重车导轨通过焊接固定于空心连梁上方。

所述柔性吊杆包括主缆索夹、吊杆夹片、带螺纹吊杆固定件、微型压力环和固定螺母，主缆索夹有索夹螺栓，吊杆夹片有夹片螺栓，带螺纹吊杆固定件有圆环，柔性吊杆上端由下至上穿入吊杆夹片后绕过索夹螺栓并由上至下穿入吊杆夹片，拧紧吊杆夹片上的夹片螺栓将柔性吊杆固定在柔性主缆上，柔性吊杆下端由上至下穿入吊杆夹片后绕过圆环并由下至上穿入吊杆夹片，拧紧吊杆夹片上的夹片螺栓将柔性吊杆固定在带螺纹吊杆固定件上，带螺纹吊杆固定件从上至下依次穿过空心纵梁吊杆孔、微型压力环和固定螺母，带螺纹吊杆固定件通过固定螺母锁紧。

所述配重砂箱和载入砂箱构造相同，包括金属箱体、流砂斜板、流砂口、可控开关和铁砂，金属箱体上侧开口，金属箱体底板设流砂口，流砂斜板固定于金属箱体底板内侧，铁砂置于金属箱体内部，可控开关固定于流砂口下侧。

所述可控开关包括固定挡块、步进电机、活动挡板、控制中心电路和可控开关电路，固定挡块、步进电机和活动挡板从左至右依次固定，固定挡块上表面固定于金属箱体底部外侧，活动挡板上表面与流砂口接触但不固定，步进电机通过控制中心电路和可控开关电路推动活动挡板左右移动改变流砂口的大小。

所述控制中心电路固定于左侧主塔基座，包括外部程序输入接口、主控微处理器、无线信号发射器、主控电池和启停开关，启停开关默认处于关闭状态，试验时打开启停开关，主控电池为外部程序输入接口、主控微处理器和无线信号发射器供电，外部程序输入接口读入预先设计的质量控制指令并传输至主控微处理器，主控微处理器对质量控制指令进行处理后传输至无线信号发射器，无线信号发射器将质量控制指令传输给各个步进电机内部的可控开关电路。

所述可控开关电路集成于步进电机内部，包括无线信号接收器、可控开关唤醒电路、可控开关处理器、可控开关电池和步进电机控制器，无线信号接收器接收控制中心电路的质量控制指令，无线信号接收器唤醒可控开关唤醒电路并将质量控制指令传输至可控开关唤醒电路，可控开关唤醒电路通过可控开关电池为可控开关处理器和步进电机控制器供电，可控开关唤醒电路将质量控制指令传输至可控开关处理器，可控开关处理器将质量控制指令转变为步进电机控制器可识别的电信号，步进电机控制器根据电信号驱动活动挡板向左或向右移动。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著特点：本发明通过可控开关独立控制每个流砂口的大小，能够在试验过程中对动力试验装置不同位置的质量进行动态、可控和精准调节，从而准确模拟实际大跨悬索桥时变质量下的工作状态；本发明通过微型压力环对每一根吊杆的拉力进行精确测量，能够保证动力试验装置每一根吊杆的拉力与实际大跨悬索桥吊杆拉力的一致性，避免凭经验调节吊杆拉力带来的误差，从而准确模拟实际大跨悬索桥的受力状态；本发明通过旋转固定螺母放松吊杆，能够模拟实际大跨悬索桥的各种吊杆损伤，进而验证各种损伤识别方法；本发明具有试验结果保真度高、应用范围广、设计简单、制作方便、拆卸移动方便的优点，前景广阔。

附图说明

图1是本发明的大跨悬索桥动力试验装置立面图；

图2是本发明的大跨悬索桥动力试验装置主塔立面图；

图3是本发明的大跨悬索桥动力试验装置主梁俯视图；

图4是本发明的主梁A-A剖视图；

图5是本发明的主梁B-B剖视图；

图6是本发明的柔性吊杆示意图；

图7是本发明的主缆索夹C-C剖视图；

图8是本发明的吊杆夹片D-D剖视图；

图9是本发明的带螺纹吊杆固定件示意图；

图10是本发明的配重砂箱的示意图；

图11是本发明的配重砂箱E-E剖视图；

图12是本发明的配重砂箱F-F剖视图；

图13是本发明的可控开关示意图；

图14是本发明的控制中心电路的工作原理图；

图15是本发明的可控开关电路的工作原理图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施为例做进一步的阐述。

本发明所提供的是一种质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置，设置有质量调节控制系统。对于大跨悬索桥动力试验装置主体结构如图1所示。

图1所示的大跨悬索桥动力试验装置立面图，为该装置的主体结构，主要包括主塔1、柔性主缆2、主梁3、柔性吊杆4、主缆基座21和主塔基座11。图2所示的是大跨悬索桥动力试验装置主塔立面图，大跨悬索桥动力试验装置主塔1有两根竖直的立柱12，立柱12顶部有索鞍13，两根立柱12之间焊接水平上横梁14和水平下横梁15，水平下横梁15上固定有橡胶支座17，立柱12底部焊接有连接板16，连接板16通过螺栓18与主塔基座11固定连接，柔性主缆2从左至右依次穿过两座主塔1的索鞍13并悬挂于主塔1上，柔性主缆2可在索鞍13内向左或向右自由滑动，柔性主缆2两端锚固在主缆基座21上，主梁3通过柔性吊杆4悬挂于柔性主缆2上，主梁3两端通过橡胶支座17支撑于水平下横梁15上；所述质量调节控制系统包括若干配重砂箱5、载入砂箱6、强力磁铁71、倒L形支架72和支架基座73，配重砂箱5通过强力磁铁71磁性活动连接于主梁3两侧，载入砂箱6通过倒L形支架72固定于配重砂箱5正上方，载入砂箱6不与配重砂箱5接触，倒L形支架72下端固定于支架基座73，倒L形支架72不与配重砂箱5接触，如图5所示。

如图3-5所示，图3所示的是主梁3的俯视图，包括左空心纵梁31、右空心纵梁32、空心连梁33和重车导轨34，左空心纵梁31和右空心纵梁32上均有吊杆孔36，左空心纵梁31和右空心纵梁32对称布置于主梁3两侧，左空心纵梁31和右空心纵梁32通过均匀布置的空心连梁33焊接连接，重车导轨34通过焊接固定于空心连梁33上方，如图4所示。

如图6-9所示，柔性吊杆4包括主缆索夹41、吊杆夹片42、带螺纹吊杆固定件43、微型压力环44和固定螺母45，主缆索夹41有索夹螺栓46，吊杆夹片42有夹片螺栓47，带螺纹吊杆固定件43有圆环48，柔性吊杆4上端由下至上穿入吊杆夹片42后绕过索夹螺栓46并由上至下穿入吊杆夹片42，拧紧吊杆夹片42上的夹片螺栓47将柔性吊杆4固定在柔性主缆2上，柔性吊杆4下端由上至下穿入吊杆夹片42后绕过圆环48并由下至上穿入吊杆夹片42，拧紧吊杆夹片42上的夹片螺栓47将柔性吊杆4固定在带螺纹吊杆固定件43上，带螺纹吊杆固定件43从上至下依次穿过吊杆孔36、微型压力环44和固定螺母45，带螺纹吊杆固定件43通过固定螺母45锁紧。

如图5、图10-12所示，配重砂箱5和载入砂箱6构造相同，包括金属箱体51、流砂斜板52、流砂口53、可控开关54和铁砂55，金属箱体51上侧开口，金属箱体51底板设流砂口53，流砂斜板52固定于金属箱体51底板内侧，铁砂55置于金属箱体51内部，可控开关54固定于流砂口53下侧。

如图2和图13所示，可控开关54包括固定挡块541、步进电机542、活动挡板543、控制中心电路8和可控开关电路9，固定挡块541、步进电机542和活动挡板543从左至右依次固定，固定挡块541上表面固定于金属箱体51底部外侧，活动挡板543上表面与流砂口53接触但不固定，控制中心电路8固定于左侧主塔基座11，可控开关电路9集成于步进电机542内部。

如图14和图15所示，控制中心电路8包括外部程序输入接口81、主控微处理器82、无线信号发射器83、主控电池84和启停开关85，可控开关电路9包括无线信号接收器91、可控开关唤醒电路92、可控开关处理器93、可控开关电池94和步进电机控制器95。主控电池84和可控开关电池94为干电池或锂电池，主控电池84向外部程序输入接口81、主控微处理器82和无线信号发射器83供电，可控开关电池94向无线信号接收器91、可控开关唤醒电路92、可控开关处理器93和步进电机控制器95供电。外部程序输入接口81、主控微处理器82、无线信号发射器83、启停开关85、无线信号接收器91、可控开关唤醒电路92、可控开关处理器93和步进电机控制器95均为低能耗元件，以利于延长电池寿命。

上述动力试验装置，控制中心电路8的启停开关85默认处于关闭状态，外部程序输入接口81、主控微处理器82和无线信号发射器83不通电，可控开关电路9的可控开关唤醒电路92默认处于休眠状态，无线信号接收器91一直通电并不断搜索质量控制指令，可控开关处理器93和步进电机控制器95不通电，以节约电能消耗。根据动力试验需要预先设计质量控制指令，打开控制中心电路8的启停开关85，外部程序输入接口81、主控微处理器82和无线信号发射器83通电，外部程序输入接口81输入预先设计的质量控制指令，外部程序输入接口81将质量控制指令传输至主控微处理器82，主控微处理82对质量控制指令进行处理后传输至无线信号发射器83，无线信号发射器83将质量控制指令分别传输给各个步进电机542内部的可控开关电路9。无线信号接收器91接收控制中心电路8的质量控制指令后唤醒可控开关唤醒电路92，同时无线信号接收器91将质量控制指令传输至可控开关唤醒电路92，可控开关唤醒电路92唤醒后，可控开关处理器93和步进电机控制器95通电，可控开关唤醒电路92将质量控制指令传输至可控开关处理器93，可控开关处理器93将质量控制指令转变为步进电机控制器95可识别的电信号，步进电机控制器95根据电信号驱动活动挡板543向左或向右移动，进而实现流砂口53大小的调节。试验完成后，关闭启停开关85，可控开关唤醒电路92重新进入休眠状态，外部程序输入接口81、主控微处理器82、无线信号发射器83、可控开关处理器93和步进电机控制器95断电。当载入砂箱6流砂口大于配重砂箱5流砂口时，配重砂箱5的重量增加；当载入砂箱6流砂口小于配重砂箱5流砂口时，配重砂箱5的重量减小。进一步地，载入砂箱6流砂口与配重砂箱5流砂口大小差值的不同，配重砂箱5的重量增加或减少的速度也不同。流砂口大小差值越大，配重砂箱5重量增加或减少的速度越快；流砂口大小差值越小，配重砂箱5重量增加或减少的速度越慢；流砂口大小差值为0时，配重砂箱5重量不变。

本发明所述的大跨悬索桥动力试验装置，向上旋转固定螺母45，柔性吊杆4的拉力增加；向下旋转固定螺母45，柔性吊杆4的拉力减小。根据试验需要，向上或向下旋转固定螺母45，并通过微型压力环44精确测量柔性吊杆4的拉力，保证大跨悬索桥动力试验装置各吊杆拉力与实际大跨悬索桥吊杆拉力的一致性。

本发明利用微型压力环精确测量吊杆拉力，保证试验装置与实际大跨悬索桥受力状态的一致性，能实时改变试验装置不同位置配重的质量，精确测量并调节吊杆的拉力，进而调节大跨悬索桥动力试验装置的动力特性，实现对实际大跨悬索桥时变质量下动力特性的准确模拟。并且通过独立控制的可控开关增加或减少配重砂箱的重量，实现动力试验装置质量的实时、精确和可控调节。

Claims (4)

1.一种质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置，其特征在于：包括主塔(1)、柔性主缆(2)、主梁(3)、柔性吊杆(4)、主缆基座(21)和主塔基座(11)，所述大跨悬索桥动力试验装置主塔(1)设有一组竖直的立柱(12)，立柱(12)顶部为索鞍(13)，两根立柱(12)之间设置水平上横梁(14)和水平下横梁(15)，所述水平下横梁(15)上有橡胶支座(17)，立柱(12)底部焊接有连接板(16)，连接板(16)通过螺栓(18)与主塔基座(11)固定连接，柔性主缆(2)从左至右依次穿过两座主塔(1)的索鞍(13)并悬挂于主塔(1)上，柔性主缆(2)可在索鞍(13)内向左或向右自由滑动，柔性主缆(2)两端锚固在主缆基座(21)上，主梁(3)通过柔性吊杆(4)悬挂于柔性主缆(2)上，主梁(3)两端通过橡胶支座(17)支撑于水平下横梁(15)上；所述主梁(3)上配置质量调节控制系统，包括若干配重砂箱(5)、载入砂箱(6)、强力磁铁(71)、倒L形支架(72)和支架基座(73)，配重砂箱(5)通过强力磁铁(71)磁性活动连接于主梁(3)两侧，载入砂箱(6)通过倒L形支架(72)固定于配重砂箱(5)正上方，载入砂箱(6)不与配重砂箱(5)接触，倒L形支架(72)下端固定于支架基座(73)，倒L形支架(72)不与配重砂箱(5)接触；

所述柔性吊杆(4)包括主缆索夹(41)、吊杆夹片(42)、带螺纹吊杆固定件(43)、微型压力环(44)和固定螺母(45)，主缆索夹(41)有索夹螺栓(46)，吊杆夹片(42)有夹片螺栓(47)，带螺纹吊杆固定件(43)有圆环(48)，柔性吊杆(4)上端由下至上穿入吊杆夹片(42)后绕过索夹螺栓(46)并由上至下穿入吊杆夹片(42)，拧紧吊杆夹片(42)上的夹片螺栓(47)将柔性吊杆(4)固定在柔性主缆(2)上，柔性吊杆(4)下端由上至下穿入吊杆夹片(42)后绕过圆环(48)并由下至上穿入吊杆夹片(42)，拧紧吊杆夹片(42)上的夹片螺栓(47)将柔性吊杆(4)固定在带螺纹吊杆固定件(43)上，带螺纹吊杆固定件(43)从上至下依次穿过吊杆孔(36)、微型压力环(44)和固定螺母(45)，带螺纹吊杆固定件(43)通过固定螺母(45)锁紧；所述配重砂箱(5)包括金属箱体(51)、流砂斜板(52)、流砂口(53)、可控开关(54)和铁砂(55)，金属箱体(51)上侧开口，金属箱体(51)底板设流砂口(53)，流砂斜板(52)固定于金属箱体(51)底板内侧，铁砂(55)置于金属箱体(51)内部，可控开关(54)固定于流砂口(53)下侧；所述载入砂箱(6)的流砂口位于配重砂箱(5)流砂口的正上方，由可控开关(54)控制铁砂(55)的流出。

2.根据权利要求1所述的质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置，其特征在于：所述主梁(3)包括左空心纵梁(31)、右空心纵梁(32)、空心连梁(33)和重车导轨(34)，左空心纵梁(31)和右空心纵梁(32)上均有吊杆孔(36)，左空心纵梁(31)和右空心纵梁(32)对称布置于主梁(3)两侧，左空心纵梁(31)和右空心纵梁(32)通过均匀布置的空心连梁(33)焊接连接，重车导轨(34)通过焊接固定于空心连梁(33)上方。

3.根据权利要求1所述的质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置，其特征在于：所述可控开关(54)包括固定挡块(541)、步进电机(542)、活动挡板(543)、控制中心电路(8)和可控开关电路(9)，固定挡块(541)、步进电机(542)和活动挡板(543)从左至右依次固定，固定挡块(541)上表面固定于金属箱体(51)底部外侧，活动挡板(543)上表面与流砂口(53)活动接触，控制中心电路(8)固定于左侧主塔基座(11)，可控开关电路(9)集成于步进电机(542)内部。

4.根据权利要求3所述的质量可动态调节的大跨悬索桥动力试验装置，其特征在于：所述控制中心电路(8)包括外部程序输入接口(81)、主控微处理器(82)、无线信号发射器(83)、主控电池(84)和启停开关(85)，可控开关电路(9)包括无线信号接收器(91)、可控开关唤醒电路(92)、可控开关处理器(93)、可控开关电池(94)和步进电机控制器(95)；试验时打开启停开关(85)，主控电池(84)向外部程序输入接口(81)、主控微处理器(82)和无线信号发射器(83)供电，外部程序输入接口(81)读入预先设计的质量控制指令并传输至主控微处理器(82)，主控微处理器(82)对质量控制指令进行处理后传输至无线信号发射器(83)，无线信号发射器(83)将质量控制指令分别传输给各个步进电机(542)内部的可控开关电路(9)；可控开关电路(9)的无线信号接收器(91)接收质量控制指令并唤醒可控开关唤醒电路(92)，可控开关唤醒电路(92)通过可控开关电池(94)为可控开关处理器(93)和步进电机控制器(95)供电，无线信号接收器(91)将质量控制指令传输至可控开关唤醒电路(92)，可控开关唤醒电路(92)将质量控制指令传输至可控开关处理器(93)，可控开关处理器(93)将质量控制指令转变为步进电机控制器(95)可识别的电信号，步进电机控制器(95)根据电信号驱动活动挡板(543)向左或向右移动，进而实现流砂口(53)大小的调节；当载入砂箱(6)流砂口大于配重砂箱(5)流砂口时，配重砂箱(5)的重量增加，当载入砂箱(6)流砂口小于配重砂箱(5)流砂口时，配重砂箱(5)的重量减小。

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