CN203231879U

CN203231879U - 桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统

Info

Publication number: CN203231879U
Application number: CN 201320039772
Authority: CN
Inventors: 刘高; 张喜刚; 刘天成; 陈上有; 王秀伟; 陈汉宝; 郭安薪; 刘海源
Original assignee: CCCC Highway Consultants Co Ltd; CCCC Highway Long Bridge Construction National Engineering Research Center Co Ltd
Current assignee: CCCC Highway Consultants Co Ltd; CCCC Highway Long Bridge Construction National Engineering Research Center Co Ltd
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2023-01-24

Abstract

本实用新型公开了一种桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，该系统包括风浪流耦合场模拟系统、风浪流耦合场中桥梁弹性模型和动态响应试验测试系统，其中：风浪流耦合场由考虑风、浪、流时间同步和空间相关的风浪流耦合场模拟系统产生；风浪流耦合场中桥梁弹性模型在风浪流耦合场模拟系统产生的风浪流耦合场中实现对桥梁弹性结构特性的模拟；动态响应试验测试系统对桥梁弹性模型的动态响应进行测试，得到测试结果。本实用新型能够实现风浪流耦合场模拟、风浪流耦合场中桥梁弹性模型模拟及其动态响应的试验测试。

Description

桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统

技术领域

本实用新型涉及桥梁工程技术领域，尤其是一种桥梁风浪流耦合场、弹性模型模拟及动态响应试验测试系统。

背景技术

进入21世纪后，我国进入跨海桥梁建设的新时期，相继建成了东海大桥、杭州湾跨海大桥、青岛海湾大桥等跨海大桥。目前，象山港跨海大桥、港珠澳跨海大桥、泉州湾跨海大桥等正在建设中。此外，一批外海巨型桥梁工程正在规划建设，如琼州海峡跨海大桥、渤海海峡跨海大桥等。对于跨海大桥，强风、波浪和海流是控制桥梁建设的重要因素。

在海洋环境中，风浪流场并不是风场、波浪场和水流场的简单叠加，而是一个复杂的耦合过程。海洋里的波浪主要是风浪和涌浪，其中风浪是在风力的直接作用下形成的波浪；当风停止或当波浪离开风区时，这时的波浪便称为涌浪。对于琼州海峡而言，实测波浪资料显示该海域以风浪为主，该海域的最大波浪是由台风产生的。另一方面，由于波浪的运动导致海面上下起伏并随时间变化，改变了气液界面的粗糙度，从而影响风的运动。因此，风和浪之间存在相互耦合特性。此外，浪和流之间也具有耦合性。波浪运动时，水质点只做往复运动，而海流是水质点流动产生的，当波浪和海流相遇时，它们间的相互作用将影响各自的传播特性，即波浪要素将发生变形，同时水流的流速分布也将发生变化。因此，波-流场并不是波浪场与水流场的简单叠加，而是一个比较复杂的耦合过程。

跨海大桥的刚度低、阻尼小，在风的作用下，桥梁结构可能会发生涡激振动、抖振、驰振，甚至可能发生气动失稳；在波浪和水流作用下，特别是在波浪卓越周期与桥梁振动周期接近的情况下，将会引起桥梁结构发生大幅共振。因此，在风浪流耦合场中，桥梁结构可能会发生大幅振动，甚至可能发生毁灭性破坏。

桥梁的风浪流耦合作用问题是复杂的气-固耦合和液-固耦合问题：一方面，桥梁结构及其运动将改变风浪流场；另一方面，风浪流场的变化将导致其对桥梁结构的作用效应发生改变。因此，传统采用分别计算风、浪、流单因素作用然后进行叠加的方法不能够准确反映桥梁在风浪流耦合作用下的受力性能。为准确评估跨海桥梁在风、浪和流环境下的动态响应特征，需要考虑风、浪、流和桥梁结构之间的耦合效应。

在风浪流耦合作用试验模拟研究方面，目前试验室对于单独的风、浪、流的模拟技术比较成熟，对风-浪联合作用、浪-流耦合作用的研究也具有一定的研究基础，但对于时间同步、空间相关的风浪流耦合场的试验室模拟研究很少。

在风场中，桥梁结构通常采用弹性模型或刚性模型进行模拟和试验测试；在浪-流场中，由于桥梁模型节段间隙防水困难、水下仪器安装和测试困难等因素，桥梁结构通常采用刚性模型进行模拟和试验测试。在风浪流耦合场中，桥梁弹性模型模拟及动态响应试验测试仍处于空白。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型的主要目的是针对桥梁风浪流耦合作用模型试验中不能准确模拟风浪流耦合场、桥梁弹性模型及其测试动态响应等问题，提供一种桥梁风浪流耦合场模拟、风浪流耦合场中桥梁弹性模型模拟和动态响应试验测试系统。

(二)技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供了一种桥梁风浪流耦合场、弹性模型模拟及动态响应试验测试系统，该系统包括风浪流耦合场模拟系统1、风浪流耦合场中桥梁弹性模型19和动态响应试验测试系统26，其中：风浪流耦合场由考虑风、浪、流时间同步和空间相关的风浪流耦合场模拟系统1产生；风浪流耦合场中桥梁弹性模型19在风浪流耦合场模拟系统1产生的风浪流耦合场中实现对桥梁弹性结构特性的模拟；动态响应试验测试系统26对桥梁弹性模型19的动态响应进行测试，得到测试结果。

上述方案中，该风浪流耦合场模拟系统1包括风洞2、入风口3、造风机4、紊流发生装置5、装置工作台6、风速仪7、出风口8、水槽9、升降式水槽底板10、造波机11、消波器12、波高仪13、入水口14、导流堤15、造流机16、流速仪17和出水口18，其中：

风洞2的长度L为40～80m、宽度B为4～20m、高度H为3～8m；水槽9的长度L1为20～60m、宽度B1为3～19m、深度H1为2～4m；装置工作台6的长度L2＝5～15m，其宽度B2与风洞宽度B相同，其顶面与水槽9静水面的垂直高度H2为0.2～0.5m；水槽9静水面与升降式水槽底板10的垂直高度H3为0.3～3.5m；

风速V_w(x，y，z，t)利用造风机4和紊流发生装置5在风洞2中进行模拟，利用风速仪7对风速V_w(x，y，z，t)进行测试；波速C_w(x，y，z，t)和波高H_w(x，y，t)利用由造波机11和消波器12在水槽9中进行模拟，利用波高仪13对波高H_w(x，y，t)进行测试；水流流速V_c(x，y，z，t)利用造流机16进行模拟，利用流速仪17对水流流速V_c(x，y，z，t)进行测试。

上述方案中，风速V_w(x，y，z，t)、波速C_w(x，y，z，t)、波高H_w(x，y，t)和水流流速V_c(x，y，z，t)均为时间同步、空间相关的函数，风速V_w(x，y，z，t)与水流流速V_c(x，y，z，t)的方向能够在α＝0°～180°范围内调节。

上述方案中，该风浪流耦合场中桥梁弹性模型19由弹性骨架20、外衣21、外衣密封带22、质量配件23、阻尼配件24和模型底座25构成，其中：弹性骨架20模拟缩尺后桥梁结构的刚度；外衣21模拟缩尺后桥梁结构的几何外形；外衣密封带22对相邻外衣21节段之间的间隙进行密封，避免气流、水流通过外衣21之间的间隙进入桥梁弹性相似模型19内部；质量配件23和阻尼配件24，与弹性骨架20、外衣21、外衣密封带22共同模拟缩尺后表征桥梁结构的质量和阻尼。

上述方案中，该弹性骨架20采用钢、合金或复合材料，由若干离散单元段通过焊接加工制成。

上述方案中，该外衣21的具体尺寸通过几何相似计算得到，采用木材、ABS板或PVC板材料，按分节段制作，并通过刚性支架固定在弹性骨架20上，装配时相邻外衣21节段之间需要留有1～5mm的间隙，避免桥梁弹性模型19发生弹性变形时相邻外衣21之间发生碰撞或挤压。

上述方案中，该外衣密封带22的厚度t为0.1～0.5毫米，宽度b为10～20毫米，采用密度小、弹性高、防水防气密实性好的橡胶或复合材料，且该外衣密封带22通过粘结材料紧密粘贴在该外衣21节段之间间隙的外侧。

上述方案中，该质量配件23由铜片、铜块、铅片或铅块等制成，通过螺栓或高粘胶呈分布式安装在该外衣21内侧或弹性骨架20上，并通过调节质量配件23距离断面形心的距离来满足质量惯矩的相似比要求。

上述方案中，该阻尼配件24采用调谐质量阻尼器、阻尼棒、粘性胶带或弹性橡胶构件，呈分布式安装在该外衣21内侧或弹性骨架20上。

上述方案中，该动态响应试验测试系统26包括防水六分量测力天平27、天平底座28、位移计29和位移计托架30，其中：

该风浪流耦合场中桥梁弹性模型19通过模型底座25安装在防水六分量测力天平27上，防水六分量测力天平27通过天平底座28固定在升降式水槽底板10上，防水六分量测力天平27的卓越频率高于桥梁弹性模型19的卓越频率，通过防水六分量测力天平27对桥梁弹性模型19底部的六分量反力动态响应进行测试；

该位移计托架30安放在桥梁弹性模型19的来流尾部或垂直于来流的侧面附近，固定于风洞2顶壁或水槽底板10；

该位移计29安装在位移计托架30上，利用位移计29对桥梁弹性模型19的顶部、3/4高度处、1/2高度处、1/4高度处、波面附近处的动态位移响应进行测试。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型由于能够同时对风场、波浪场和流场进行模拟，所以能够产生风、浪、流时间同步、空间相关、与自然条件相似的风浪流耦合场。

2、本实用新型由于能够模拟桥梁结构的几何、刚度、质量、阻尼等相似特性，并提出了防水结构措施，所以能够实现桥梁结构在风浪流耦合场中的弹性模型试验研究。

3、本实用新型由于能够进行桥梁弹性结构模型在风浪流耦合场中的动态位移响应和六分量反力动态响应测试，因此能够获得桥梁结构在风浪流耦合场中的动态响应测试结果。

4、本实用新型能够为跨江海桥梁的结构设计及研究提供技术支撑。

附图说明

图1为本实用新型提供的桥梁风浪流耦合场、弹性模型模拟及动态响应试验测试系统的剖面示意图；

图2为本实用新型提供的桥梁风浪流耦合场、弹性模型模拟及动态响应试验测试系统的平面示意图；其中，(a)是波浪方向与水流方向呈小交角状态的示意图；(b)是波浪方向与水流方向呈大交角状态的示意图；

图3为本实用新型提供的桥梁风浪流耦合场、弹性模型模拟及动态响应试验测试系统中桥塔弹性模型的示意图；

图4为本实用新型提供的桥梁风浪流耦合场、弹性模型模拟及动态响应试验测试系统中桥塔弹性模型外衣与外衣密封带的示意图。

附图标记：

风浪流耦合场模拟系统1；

风洞2；入风口3；造风机4；紊流发生装置5；装置工作台6；风速仪7；出风口8；水槽9；升降式水槽底板10；造波机11；消波器12；波高仪13；入水口14；导流堤15；造流机16；流速仪17；出水口18；

桥梁弹性模型19；

弹性骨架20；外衣21；外衣密封带22；质量配件23；阻尼配件24；模型底座25；

动态响应试验测试系统26；

防水六分量测力天平27；天平底座28；位移计29；位移计托架30；

风洞长度L；风洞宽度B；风洞高度H；

水槽长度L1；水槽宽度B1；水槽深度H1；

装置工作台长度L2；装置工作台宽度B2；

装置工作台顶面与水槽静水面的垂直高度H2；

水槽静水面与升降式水槽底板的垂直高度H3。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，图1为本实用新型提供的桥梁风浪流耦合场、弹性模型模拟及动态响应试验测试系统的剖面示意图，该系统包括风浪流耦合场模拟系统1、风浪流耦合场中桥梁弹性模型19及动态响应试验测试系统26。

其中，风浪流耦合场由考虑风、浪、流时间同步、空间相关的风浪流耦合场模拟系统1产生，风浪流耦合场模拟系统1包括风洞2、入风口3、造风机4、紊流发生装置5、装置工作台6、风速仪7、出风口8、水槽9、升降式水槽底板10、造波机11、消波器12、波高仪13、入水口14、导流堤15、造流机16、流速仪17和出水口18。

风洞2的长度L为40～80m、宽度B为4～20m、高度H为3～8m；水槽9的长度L1为20～60m、宽度B1为3～19m、深度H1为2～4m；装置工作台6的长度L2＝5～15m，其宽度B2与风洞宽度B相同，其顶面与水槽9静水面的垂直高度H2为0.2～0.5m；水槽9静水面与升降式水槽底板10的垂直高度H3为0.3～3.5m。

风浪流耦合场的风速V_w(x，y，z，t)利用造风机4和紊流发生装置5在风洞2中进行模拟，具体为：利用造风机4产生均匀来流风场，然后采用尖塔、格栅和粗糙元等紊流发生装置5对均匀来流风进行人为扰动，并通过调整紊流发生装置5的几何形状及布置形式，利用风速仪7对风速V_w(x，y，z，t)进行测试反馈，从而产生符合目标的紊流风场。风速仪7通过刚性测试架安装在桥梁弹性模型19的附近。

风浪流耦合场的波速C_w(x，y，z，t)和波高H_w(x，y，t)利用由造波机11、消波器12在水槽9中进行模拟，具体为：根据实测得到的耦合波浪场波谱、波高等输入参数，通过造波机11将计算机模拟信号转换为电信号推动机械造波板运动，并利用放置在边界处的消波器12来实现导波和消波，以减少边界对模拟波浪场的反射影响。利用波高仪13对波高H_w(x，y，t)进行测试反馈，从而产生符合目标波浪场指标的波浪场。波高仪13放在桥梁弹性模型19的附近。

风浪流耦合场的水流流速V_c(x，y，z，t)利用造流机15进行模拟，具体为：根据现场实测得到的流速参数，在出水口18通过造流机16将水抽出，并在入水口14处注入，使水流按导流堤15设定的方向流动，利用流速仪17对水流流速V_c(x，y，z，t)进行测试，并通过控制造流机16的流量来实现对流速的控制，从而实现目标水流流速的模拟。流速仪17安放在桥梁弹性模型19的附近。

风浪流耦合场的风速V_w(x，y，z，t)、波速C_w(x，y，z，t)、波高H_w(x，y，t)、水流流速V_c(x，y，z，t)为时间同步、空间相关的函数，风速V_w(x，y，z，t)与水流流速V_c(x，y，z，t)的方向可以在α＝0°～180°范围内调节，如图2所示。

如图3所示，图3为本实用新型提供的桥梁风浪流耦合场、弹性模型模拟及动态响应试验测试系统中桥塔弹性模型的示意图，该风浪流耦合场中桥梁弹性模型19由弹性骨架20、外衣21、外衣密封带22、质量配件23、阻尼配件24和模型底座25构成。桥梁弹性模型19的设计遵循弹性相似性和几何相似准则，包括Reynolds数、Froude数、Strouhal数、Cauchy数、密度比、阻尼比相似，对于流体粘滞力变化不大的钝体结构可以放松雷诺数的模拟要求，或采用表面加粗糙度等方法模拟雷诺数效应。

桥梁弹性模型19的弹性骨架20模拟缩尺后桥梁结构的刚度，弹性骨架20的截面尺寸根据刚度相似准则计算确定，可由钢、合金或复合材料等制成；弹性骨架20可由若干离散单元段通过焊接加工制成。

桥梁弹性模型19的外衣21模拟缩尺后桥梁结构的外形，具体尺寸通过几何相似计算得到，外衣21可用木材、ABS板、PVC板等轻型材料制成；外衣21按分节段制作，并通过刚性支架固定在弹性骨架20上，装配时相邻外衣21节段之间需要留有1～5mm的间隙，避免桥梁弹性模型19发生弹性变形时相邻外衣21之间发生碰撞或挤压。

桥梁弹性模型19的外衣密封带22对相邻外衣21节段之间的间隙进行密封，避免气流、水流通过外衣21之间的间隙进入桥梁弹性相似模型19，外衣密封带22的厚度t为0.1～0.5毫米，外衣密封带22的宽度b为10～20毫米，其可选用密度小、弹性高、防水(防气)密实性好的橡胶或复合材料，外衣密封带22通过粘结材料紧密粘贴在外衣21节段之间间隙的外侧。

桥梁弹性模型19的质量配件23和阻尼配件24与弹性骨架20、外衣21、外衣密封带22共同模拟缩尺后桥梁结构的质量和阻尼。质量配件23可由铜片(块)或铅片(块)等制成，可通过螺栓或高粘胶呈分布式安装在外衣21内侧或弹性骨架20上，并通过调节质量配件23距离断面形心的距离来满足质量惯矩的相似比要求。阻尼配件24可采用调谐质量阻尼器、阻尼棒、粘性胶带、弹性橡胶等构件，呈分布式安装在外衣21内侧或弹性骨架20上。

见图1、图2和图3，本实用新型提供的动态响应试验测试系统26包括防水六分量测力天平27、天平底座28、位移计29和位移计托架30。

风浪流耦合场中桥梁弹性模型19通过模型底座25安装在防水六分量测力天平27上、防水六分量测力天平27通过天平底座28固定在升降式水槽底板10上，防水六分量测力天平27的卓越频率远远高于桥梁弹性模型19的卓越频率，通过防水六分量测力天平27对桥梁弹性模型19底部的六分量反力动态响应进行测试。位移计托架30安放在桥梁弹性模型19的来流尾部和垂直于来流的侧面附近，固定于风洞2顶壁或水槽底板10，位移计29安装在位移计托架30上，利用位移计29对桥梁弹性模型19的顶部、3/4高度处、1/2高度处、1/4高度处、波面附近处和其它关键截面位置处的动态位移响应进行测试。

本实用新型是对造风系统、造波系统和造流系统的有机整合，能够产生时间同步、空间相关的风、浪和流的耦合场；本实用新型提出了基于气弹和水弹性理论的风浪流耦合场中的桥梁弹性模型的模拟方法。本实用新型可用于桥梁结构在风浪流耦合作用下的弹性模型试验研究，测试桥梁弹性模型在风浪流耦合作用下的动态位移响应和六分量反力动态响应，为跨海桥梁设计与建造提供技术支撑。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该系统包括风浪流耦合场模拟系统(1)、风浪流耦合场中桥梁弹性模型(19)和动态响应试验测试系统(26)，其中：

风浪流耦合场由考虑风、浪、流时间同步和空间相关的风浪流耦合场模拟系统(1)产生；

风浪流耦合场中桥梁弹性模型(19)，在风浪流耦合场模拟系统(1)产生的风浪流耦合场中实现对桥梁弹性结构特性的模拟；

动态响应试验测试系统(26)，对桥梁弹性模型(19)的动态响应进行测试，得到测试结果。

2.根据权利要求1所述的桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该风浪流耦合场模拟系统(1)包括风洞(2)、入风口(3)、造风机(4)、紊流发生装置(5)、装置工作台(6)、风速仪(7)、出风口(8)、水槽(9)、升降式水槽底板(10)、造波机(11)、消波器(12)、波高仪(13)、入水口(14)、导流堤(15)、造流机(16)、流速仪(17)和出水口(18)，其中：

风洞(2)的长度L为40～80m、宽度B为4～20m、高度H为3～8m；水槽(9)的长度L1为20～60m、宽度B1为3～19m、深度H1为2～4m；装置工作台(6)的长度L2＝5～15m，其宽度B2与风洞宽度B相同，其顶面与水槽(9)静水面的垂直高度H2为0.2～0.5m；水槽(9)静水面与升降式水槽底板(10)的垂直高度H3为0.3～3.5m。

3.根据权利要求1所述的桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该风浪流耦合场中桥梁弹性模型(19)由弹性骨架(20)、外衣(21)、外衣密封带(22)、质量配件(23)、阻尼配件(24)和模型底座(25)构成，其中：

弹性骨架(20)，模拟缩尺后桥梁结构的刚度；

外衣(21)，模拟缩尺后桥梁结构的几何外形；

外衣密封带(22)，对相邻外衣(21)节段之间的间隙进行密封，避免气流、水流通过外衣(21)之间的间隙进入桥梁弹性相似模型(19)内部；

质量配件(23)和阻尼配件(24)，与弹性骨架(20)、外衣(21)、外衣密封带(22)共同模拟缩尺后表征桥梁结构的质量和阻尼。

4.根据权利要求3所述的桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该弹性骨架(20)采用钢、合金或复合材料，由若干离散单元段通过焊接加工制成。

5.根据权利要求3所述的桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该外衣(21)的具体尺寸通过几何相似计算得到，采用木材、ABS板或PVC板材料，按分节段制作，并通过刚性支架固定在弹性骨架(20)上，装配时相邻外衣(21)节段之间需要留有1～5mm的间隙，避免桥梁弹性模型(19)发生弹性变形时相邻外衣(21)之间发生碰撞或挤压。

6.根据权利要求3所述的桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该外衣密封带(22)的厚度t为0.1～0.5毫米，宽度b为10～20毫米，采用密度小、弹性高、防水防气密实性好的橡胶或复合材料，且该外衣密封带(22)通过粘结材料紧密粘贴在该外衣(21)节段之间间隙的外侧。

7.根据权利要求3所述的桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该质量配件(23)由铜片、铜块、铅片或铅块制成，通过螺栓或高粘胶呈分布式安装在该外衣(21)内侧或弹性骨架(20)上，并通过调节质量配件(23)距离断面形心的距离来满足质量惯矩的相似比要求。

8.根据权利要求3所述的桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该阻尼配件(24)采用调谐质量阻尼器、阻尼棒、粘性胶带或弹性橡胶构件，呈分布式安装在该外衣(21)内侧或弹性骨架(20)上。

9.根据权利要求1所述的桥梁风浪流耦合场、弹性模型及动态响应试验测试系统，其特征在于，该动态响应试验测试系统(26)包括防水六分量测力天平(27)、天平底座(28)、位移计(29)和位移计托架(30)，其中：

该风浪流耦合场中桥梁弹性模型(19)通过模型底座(25)安装在防水六分量测力天平(27)上，防水六分量测力天平(27)通过天平底座(28)固定在升降式水槽底板(10)上，防水六分量测力天平(27)的卓越频率高于桥梁弹性模型(19)的卓越频率，通过防水六分量测力天平(27)对桥梁弹性模型(19)底部的六分量反力动态响应进行测试；

该位移计托架(30)安放在桥梁弹性模型(19)的来流尾部或垂直于来流的侧面附近，固定于风洞(2)顶壁或水槽底板(10)；

该位移计(29)安装在位移计托架(30)上，利用位移计(29)对桥梁弹性模型(19)的顶部、3/4高度处、1/2高度处、1/4高度处、波面附近处的动态位移响应进行测试。