CN117030176A - 卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置及方法，其试验装置桩板桥梁模型的桥墩、帽梁、面板、挡板上设有若干压力传感器，三分力传感器与整体结构相连，测量桥梁局部结构和整体结构受到的波浪力。浪高仪设置于桥梁侧面、盖梁的迎浪面处和模型远端，用于测量入射波高、撞击前的行进波高及撞击后的波浪爬高。本发明试验方法通过高速摄像机记录不同波形的卷破波的位置，运用导轨改变桩板桥梁模型在海床上的位置，灵活地模拟近海环境中卷破波演化生成的不同波形对桥梁的冲击作用，同时准确地采集桩板桥梁结构整体和局部所受冲击压力。
Description
技术领域
本发明属于卷破波冲击桩板桥梁模型模拟试验技术领域，具体涉及一种卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置及方法。
背景技术
近海桥梁是沿海地区经济圈快速交通网络的重要组成部分，发挥着跨越海域，连通内陆与岛屿，促进沿海经济圈经济发展的重要作用，对海洋经济的发展具有重要的战略意义。近年来随着跨海沿海桥梁不断建设，桥梁安全问题越来越得到关注，波浪的冲击作用是跨海沿海桥梁水毁的主要原因之一。受近海环境海床地形影响，波浪从外海向桥梁结构所处近海环境传播过程中，当波峰处水质点运动速度大于波浪传播速度时，波浪发生卷曲破碎。相比于其它形式的破碎波，卷破波对近海桥梁结构冲击力大且危害深。
目前已有的波浪冲击桥梁模型试验装置，主要研究规则波或单一破碎波冲击桥墩结构的作用，难以捕捉到不同形态卷破波对桩板桥梁结构的冲击作用，从而造成桩板桥梁结构的波浪力试验测量不准确，给近海环境桩板桥梁结构的设计带来较大困难。
发明内容
鉴于现有技术的存在的不足，本发明提供一种精确和高效的卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置及方法，目的在于有效模拟和测量不同形态卷破波对桩板桥梁模型的冲击作用。
其试验装置包括水槽、造波装置、消浪栅格、浪高仪、三分力传感器、压力传感器、高速摄像机、桩板桥梁模型、海床、导轨。其中，桩板桥梁模型的桥墩、帽梁、面板、挡板上设有若干压力传感器，三分力传感器与整体结构相连，测量桥梁局部结构和整体结构受到的波浪力。浪高仪设置于桥梁侧面、盖梁的迎浪面处和模型远端，用于测量入射波高、撞击前的行进波高及撞击后的波浪爬高。本发明试验方法通过高速摄像机记录不同波形的卷破波的位置，运用导轨改变桩板桥梁模型在海床上的位置，灵活地模拟近海环境中卷破波演化生成的不同波形对桥梁的冲击作用，同时准确地采集桩板桥梁结构整体和局部所受冲击压力。
本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：
一种卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置，其特征在于，包括：水槽(1)、造波装置(2)、消浪栅格(3)、浪高仪(4)、三分力传感器(5)、压力传感器(6)、高速摄像机(7)、桩板桥梁模型(8)、海床模型(9)、导轨(10)；
所述水槽(1)分为3段，首端混凝土段设置有造波装置(2)，中间波浪槽壁段设置有海床(9)，尾端混凝土段设置有消浪格栅(3)；
所述海床(9)由平台和斜坡组成，桩板桥梁模型(8)位于海床平台，中心轴线与海床(9)上表面中心轴线对齐；
所述桩板桥梁模型(8)的迎浪面桥墩(13)、帽梁(14)、面板(15)以及挡板(16)处均匀设置有若干压力传感器(6)，用于测量桥梁局部结构受到的波浪力；
所述三分力传感器(5)与桩板桥梁模型(8)相连，用于测量桥梁整体结构受到的波浪力；
所述高速摄像机(7)对准迎浪面桥墩和帽梁(14)；
所述压力传感器(6)和三分力传感器(5)将采集信息发送至压力采集盒(11)，每个所述浪高仪(4)将采集信息发送至浪高采集盒(12)。
作为优选，其中除中间试验段底面采用20 mm厚钢化玻璃外，其余部分为水泥底面。
进一步地，两根所述导轨(10)水平设置于水槽(1)顶部，两根导轨上设置有滑动钢架；所述滑动钢架通过与桩板桥梁模型(8)固定，以调节桩板桥梁模型(8)的位置。
进一步地，所述三分力传感器(5)的两端与滑动钢架通过螺栓连接，钢架上部固定在水槽(1)顶面的支架上，两侧通过四根可松紧单杠限制位移，下部与桩板桥梁模型(8)相连。
进一步地，所述消浪格栅(3)由多层45°孔板构成，每层孔板之间的间距为10cm，孔板的孔径从前到后逐渐变小，孔中填充有消浪材料。
进一步地，所述桩板桥梁模型(8)采用亚克力板胶制制成，桩板构件包含墩柱一体式桥墩(13)、帽梁(14)、面板(15)、挡板(16)，其中面板(15)下布置2道帽梁(14)，每道帽梁(14)下布置三根桥墩(13)，桥墩(13)与帽梁(14)之间通过螺栓连接；桥墩(13)迎浪面从下至上均匀布置有若干与压力传感器(6)尺寸相适配的测孔，帽梁(14)、面板(15)、挡板(16)迎浪面沿着横向中心轴线均匀布置若干与压力传感器(6)尺寸相适配的测孔，相邻测孔之间的距离为5cm~10cm；压力传感器(6)安装于测孔内。
海床(9)采用铝合金定制海床骨架并用铁皮包裹，海床由平台和斜坡组成，实际使用中，将海床拆解成6段于水槽中安装。
以及，一种卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验方法：包括以下步骤：
步骤S1：结合波流水槽尺寸和实际海床坡度，使用量纲分析法，根据几何、运动和动力相似原则进行缩尺比换算，制作桩板桥梁模型和海床；
步骤S2：将海床安装于波浪槽壁段，消浪格栅安装于水槽尾端；
步骤S3：通过波浪水槽前端的造波装置生成波浪，波浪通过斜坡海床发生卷破；
步骤S4：将波峰角达到120°时定义波形发展为P1形态，将波浪前沿面与水平面垂直时定义波形发展为P2形态，将波舌前倾并即将向下倾倒时定义波形发展为P3形态，将波舌即将与水面接触时定义波形发展为P4形态，将段波波舌即将向下倾倒时定义波形发展为P5形态，开启高速摄像机记录卷破过程，通过逐帧分析，确认并记录下五个形态卷破波的位置后停止造波；
步骤S5：为了模拟不同形态卷破波对桩板桥梁结构的冲击作用，利用水槽顶部导轨将桩板桥梁模型移动到不同形态卷破波出现的位置；
步骤S6：开启浪高仪、压力传感器、三分力传感器后开始造波，模拟不同形态卷破波冲击桩板桥梁结构；
步骤S7：利用浪高仪完成波高采集，压力传感器完成桩板桥梁模型局部压力数据采集、三分力传感器完成桩板桥梁模型整体受力采集；
步骤S8：改变步骤S3中造波装置的参数，重复步骤S4至S7，直到模拟完成所有不同波高、水深和波周期下五个形态卷破波冲击桩板桥梁结构，获得的多组试验数据输入电脑端，经过降噪处理后通过缩尺比换算成实际值。
以上设计的优势在于：在模拟不同形态卷破波冲击新型桩板结构时，只需要在步骤S3中改变造波装置的参数生成不同波高、水深和波周期的波浪在海床上发生卷破后重复步骤S4到步骤S7，即可得到不同波高、水深和波周期下五个形态卷破波作用下桩板桥梁模型的受力和波浪爬高的结果。
相较于现有技术，本发明及其优选方案的有益效果至少包括：
1.通过高速摄像机能够直观可重复的观察卷破波在传播过程中演化生成的多个波形，准确地记录下不同波形卷破波在海床上的位置；
2.能够通过改变桩板桥梁结构的位置，更加灵活地模拟近海环境中不同波形卷破波对桩板桥梁模型的冲击作用；
3.能够通过压力传感器、三分力传感器准确地采集卷破波对桩板桥梁模型局部结构和整体结构的压力数据，能有效还原卷破波作用下桩板桥梁结构的受力特征。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置示意图。
图2为本发明实施例桩板桥梁模型示意图。
图3为图1的主视图(不含线路)。
图4为图1的左视图(不含线路)。
图5为图1的俯视图(不含线路)。
图6为本发明实施例P1形态卷破波冲击桩板桥梁结构示意图。
图7为本发明实施例P2形态卷破波冲击桩板桥梁结构示意图。
图8为本发明实施例P3形态卷破波冲击桩板桥梁结构示意图。
图9为本发明实施例P4形态卷破波冲击桩板桥梁结构示意图。
图10为本发明实施例P5形态卷破波冲击桩板桥梁结构示意图。
图中：水槽1、造波装置2、消浪栅格3、浪高仪4、三分力传感器5、压力传感器6、高速摄像机7、桩板桥梁模型8、海床模型9、导轨10、压力采集盒11、浪高采集盒12、桥墩13、帽梁14、面板15、挡板16。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
如图1~图5所示，本实施例提供了一种卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置，包括：水槽1、造波装置2、消浪栅格3、浪高仪4、三分力传感器5、压力传感器6、高速摄像机7、桩板桥梁模型8、海床模型9、导轨10。
在本实施例中，水槽1分为3段，水槽首端混凝土段设置有造波装置2，中间波浪槽壁段设置有海床模型9，尾端混凝土段设置有消浪格栅3，两根导轨10设置于水槽顶，其中除中间试验段底面采用20 mm厚钢化玻璃外，其余部分为水泥底面。
在本实施例中，水槽中间波浪槽壁段内设置有海床模型9，海床模型9由平台和斜坡组成，设置于水槽中间波浪槽壁段，桩板桥梁模型8位于海床平台，桩板桥梁模型8的中心轴线与海床模型9上表面中心轴线对齐；
在本实施例中，桩板桥梁模型8迎浪面桥墩13、帽梁14、面板15、挡板16处均匀设置有若干压力传感器6，三分力传感器5两端与连接钢架通过螺栓连接，钢架上部固定在水槽顶面的支架上，两侧通过四根可松紧单杠限制位移，下部与桩板桥梁结构8相连；
在本实施例中，三个浪高仪4分别设置于桥梁侧面、盖梁的迎浪面处和模型远端，迎浪面桥墩和盖梁旁边设置有高速摄像机7；
在本实施例中，压力传感器6和三分力传感器5将采集信息发送至压力采集盒11，每个浪高仪4将采集信息发送至浪高采集盒12。
在本实施例中，消浪格栅3由多层具有45°的孔板构成，每层孔板之间的间距为10cm，孔板的孔径从前到后逐渐变小，孔中填充有碎石和海绵等消浪材料；
在本实施例中，海床模型9采用铝合金定制海床骨架并用铁皮包裹，海床由平台和斜坡组成，将海床拆解成6段于水槽中安装；
在本实施例中，两根导轨10水平设置于水槽1顶部，两根导轨上设置有滑动钢架。滑动钢架可以与桩板桥梁模型8固定，通过滑动钢架来调节桩板桥梁模型8的位置。
在本实施例中，桩板桥梁模型8采用亚克力板胶制制成，桩板构件包含墩柱一体式桥墩13、帽梁14、面板15、挡板16，其中面板15下布置2道帽梁14，每道帽梁14下布置三根桥墩13，桥墩13与帽梁14之间通过螺栓连接；桥墩13迎浪面从下至上均匀布置有若干与压力传感器6尺寸相适配的测孔，帽梁14、面板15、挡板16迎浪面沿着横向中心轴线均匀布置若干与压力传感器6尺寸相适配的测孔，相邻测孔之间的距离为5cm~10cm；若干压力传感器6安装于若干测孔内。
根据以上装置设计，该卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验系统的工作原理为：波流水槽能够通过推板造波模拟近海环境中波浪在海床上爬坡演化成不同形态的卷破波，消浪格栅能够耗散波浪的能量，减小水槽壁的反射从而提高造波的稳定性和测量数据的精确性，高速摄像机记录下五个形态卷破波的位置后通过顶部导轨移动桩板桥梁模型到相应位置，桥墩、帽梁、面板、挡板迎浪面的压力传感器和三分力传感器连接压力采集盒，浪高仪连接波高采集盒，能够采集卷破波冲击新型桩板结构桥梁试验过程中桩板桥梁结构局部和整体结构所受压力和波浪爬高数据，进行卷破波冲击新型桩板结构桥梁试验研究。
具体地，本实施例还提供了一种一种卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验方法，包括：
步骤S1：结合波流水槽尺寸和实际海床坡度，使用量纲分析法，根据几何、运动和动力相似原则进行缩尺比换算，制作桩板桥梁模型和海床；
步骤S2：海床安装于波浪槽壁段，消浪格栅安装于水槽尾端，波浪进入装置中与层层孔板和消浪材料接触，能够有效的耗散波浪的能量，减小水槽壁的反射从而提高造波的稳定性和测量数据的精确性；
步骤S3：通过波浪水槽前端的造波装置生成波浪，波浪通过斜坡海床发生卷破；
步骤S4：将波峰角达到120°时定义波形发展为P1形态，将波浪前沿面与水平面垂直时定义波形发展为P2形态，将波舌前倾并即将向下倾倒时定义波形发展为P3形态，将波舌即将与水面接触时定义波形发展为P4形态，将段波波舌即将向下倾倒时定义波形发展为P5形态，开启高速摄像机记录卷破过程，通过逐帧分析，确认并记录下五个形态卷破波的位置后停止造波；
步骤S5：图6~图10为波浪在行进过程中发展生成的五种形态卷破波冲击新型桩板结构的示意图，为了模拟不同形态卷破波对桩板桥梁结构的冲击作用，利用水槽顶部导轨将桩板桥梁模型移动到不同形态卷破波出现的位置；
步骤S6：开启浪高仪、压力传感器、三分力传感器后开始造波，模拟不同形态卷破波冲击桩板桥梁结构；
步骤S7：利用浪高仪完成波高采集，压力传感器完成桩板桥梁模型局部压力数据采集、三分力传感器完成桩板桥梁模型整体受力采集；
步骤S8：改变步骤S3中造波装置的参数，重复步骤S4至S7，直到模拟完成所有不同波高、水深和波周期下五个形态卷破波冲击桩板桥梁结构，获得的多组试验数据输入电脑端，经过降噪处理后通过缩尺比换算成实际值。
进一步地，本实施例的方法在模拟不同形态卷破波冲击新型桩板结构时，只需要在步骤S3中改变造波装置的参数生成不同波高、水深和波周期的波浪在海床上发生卷破后重复步骤S4到步骤S7，即可得到不同波高、水深和波周期下五个形态卷破波作用下桩板桥梁模型的受力和波浪爬高的结果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置，其特征在于，包括：水槽(1)、造波装置(2)、消浪栅格(3)、浪高仪(4)、三分力传感器(5)、压力传感器(6)、高速摄像机(7)、桩板桥梁模型(8)、海床模型(9)、导轨(10)；
所述水槽(1)分为3段，首端混凝土段设置有造波装置(2)，中间波浪槽壁段设置有海床(9)，尾端混凝土段设置有消浪格栅(3)；
所述海床(9)由平台和斜坡组成，桩板桥梁模型(8)位于海床平台，中心轴线与海床(9)上表面中心轴线对齐；
所述桩板桥梁模型(8)的迎浪面桥墩(13)、帽梁(14)、面板(15)以及挡板(16)处均匀设置有若干压力传感器(6)，用于测量桥梁局部结构受到的波浪力；
所述三分力传感器(5)与桩板桥梁模型(8)相连，用于测量桥梁整体结构受到的波浪力；
所述高速摄像机(7)对准迎浪面桥墩和帽梁(14)；
所述压力传感器(6)和三分力传感器(5)将采集信息发送至压力采集盒(11)，每个所述浪高仪(4)将采集信息发送至浪高采集盒(12)。
2.根据权利要求1所述的卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置，其特征在于：
两根所述导轨(10)水平设置于水槽(1)顶部，两根导轨上设置有滑动钢架；所述滑动钢架通过与桩板桥梁模型(8)固定，以调节桩板桥梁模型(8)的位置。
3.根据权利要求2所述的卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置，其特征在于：所述三分力传感器(5)的两端与滑动钢架通过螺栓连接，钢架上部固定在水槽(1)顶面的支架上，两侧通过四根可松紧单杠限制位移，下部与桩板桥梁模型(8)相连。
4.根据权利要求1所述的卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置，其特征在于：所述消浪格栅(3)由多层45°孔板构成，每层孔板之间的间距为10cm，孔板的孔径从前到后逐渐变小，孔中填充有消浪材料。
5.根据权利要求1所述的卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置，其特征在于：所述桩板桥梁模型(8)采用亚克力板胶制制成，桩板构件包含墩柱一体式桥墩(13)、帽梁(14)、面板(15)、挡板(16)，其中面板(15)下布置2道帽梁(14)，每道帽梁(14)下布置三根桥墩(13)，桥墩(13)与帽梁(14)之间通过螺栓连接；桥墩(13)迎浪面从下至上均匀布置有若干与压力传感器(6)尺寸相适配的测孔，帽梁(14)、面板(15)、挡板(16)迎浪面沿着横向中心轴线均匀布置若干与压力传感器(6)尺寸相适配的测孔，相邻测孔之间的距离为5cm~10cm；压力传感器(6)安装于测孔内。
6.一种卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：结合波流水槽尺寸和实际海床坡度，使用量纲分析法，根据几何、运动和动力相似原则进行缩尺比换算，制作桩板桥梁模型和海床；
步骤S2：将海床安装于波浪槽壁段，消浪格栅安装于水槽尾端；
步骤S3：通过波浪水槽前端的造波装置生成波浪，波浪通过斜坡海床发生卷破；
步骤S4：将波峰角达到120°时定义波形发展为P1形态，将波浪前沿面与水平面垂直时定义波形发展为P2形态，将波舌前倾并即将向下倾倒时定义波形发展为P3形态，将波舌即将与水面接触时定义波形发展为P4形态，将段波波舌即将向下倾倒时定义波形发展为P5形态，开启高速摄像机记录卷破过程，通过逐帧分析，确认并记录下五个形态卷破波的位置后停止造波；
步骤S5：为了模拟不同形态卷破波对桩板桥梁结构的冲击作用，利用水槽顶部导轨将桩板桥梁模型移动到不同形态卷破波出现的位置；
步骤S6：开启浪高仪、压力传感器、三分力传感器后开始造波，模拟不同形态卷破波冲击桩板桥梁结构；
步骤S7：利用浪高仪完成波高采集，压力传感器完成桩板桥梁模型局部压力数据采集、三分力传感器完成桩板桥梁模型整体受力采集；
步骤S8：改变步骤S3中造波装置的参数，重复步骤S4至S7，直到模拟完成所有不同波高、水深和波周期下五个形态卷破波冲击桩板桥梁结构，获得的多组试验数据输入电脑端，经过降噪处理后通过缩尺比换算成实际值。
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| CN202310837046.8A Pending CN117030176A (zh) | 2023-07-10 | 2023-07-10 | 卷破波冲击桩板桥梁结构的波流水槽模型试验装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117030176A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117433743A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-01-23 | 天津大学 | 一种用于波浪边界层实验的波浪水槽 |
| CN117723247A (zh) * | 2024-02-18 | 2024-03-19 | 安徽省交通控股集团有限公司 | 一种用于公路桩板式结构的抗震性能检测装置 |
-
2023
- 2023-07-10 CN CN202310837046.8A patent/CN117030176A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117433743A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-01-23 | 天津大学 | 一种用于波浪边界层实验的波浪水槽 |
| CN117433743B (zh) * | 2023-12-18 | 2024-02-13 | 天津大学 | 一种用于波浪边界层实验的波浪水槽 |
| CN117723247A (zh) * | 2024-02-18 | 2024-03-19 | 安徽省交通控股集团有限公司 | 一种用于公路桩板式结构的抗震性能检测装置 |
| CN117723247B (zh) * | 2024-02-18 | 2024-04-16 | 安徽省交通控股集团有限公司 | 一种用于公路桩板式结构的抗震性能检测装置 |
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