CN212432476U - 自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，属于桥梁抗风设计中悬索桥或拱桥吊索风致振动试验研究技术领域。利用本装置可在良好的自然风场中开展超长吊索气弹模型风致振动试验，相比于传统风洞试验方法，本实用新型试验装置无需大型风洞设备，能耗低，试验模型尺寸不受风洞尺寸限制，可开展超大比例气弹模型试验，相比于实桥观测，本装置便于开展不同参数条件下索力和振动的实测研究，有助于全面研究不同风场条件及塔柱气动干扰下吊索的抗风性能。针对风洞试验和现场实测方法研究吊索风致振动面临的不足，提出在自然风场中开展超长吊索气弹模型风致振动试验装置，具有其相对优势和特色。

Description

自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置

技术领域

本实用新型属于桥梁抗风设计中悬索桥或拱桥吊索风致振动试验研究技术领域，涉及一种自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置。

背景技术

随着悬索桥和拱桥跨径的日益增大，结构更为轻柔，阻尼减小，桥梁结构对风的作用更为敏感。吊索也称吊杆，是将活载和加劲梁上的恒载传递到主缆或拱肋的构件，需保证其服役安全。长吊索频率低、阻尼小，在风荷载作用下可能发生大幅振动，可能影响行车舒适性甚至引发疲劳破坏，所以对吊索的抗风问题研究尤为重要。以往的吊索风致振动试验通常在风洞实验室中开展，优点在于流场风速可控，流场品质良好。然而对于大部分风洞，受风洞尺寸限制，吊索一般采用刚性模型。只有少数大型风洞(风洞宽度大于10m)才可以方便开展气弹模型试验，然而模型比例(小于1:20，甚至1:50)仍然较小，与实际悬索桥吊索尺寸相差较大。实际桥梁现场实测虽然可以获得吊索风致振动最实际的特征，但实桥不便开展不同参数(长度、质量、阻尼比、表面粗糙程度等) 条件下索力和振动的实测研究，即基本不具有可控性。针对风洞试验和现场实测方法研究吊索风致振动面临的不足，提出在自然风场中开展超长吊索气弹模型风致振动试验装置，具有其相对优势和特色。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对吊索风致振动研究的需要，提供一种可以有效弥补目前风洞试验方法及实桥观测时所面临的不足，在良好的自然风场中开展不同工况条件下超长吊索气弹模型风致振动的试验装置。该装置主要包括悬索桥刚性塔柱、电机、转盘、刚性支架、套箍、吊索模型、索力计、张拉千斤顶、锚碇，另可根据试验条件，增设加速度传感器或高速摄像机等仪器设备。

本实用新型的技术方案：

自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，置于具有良好自然风场条件的平坦开阔试验场地(比如海海边或山顶)，场地满足风速高、风场稳、紊流度低，风场持时长等条件。自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置包括刚性塔柱1、电机2、转盘3、刚性支架4、套箍5、吊索模型6、索力计7、张拉千斤顶8、锚碇9，另可根据试验条件，增设加速度传感器10或高速摄像机11等仪器设备。刚性塔柱1嵌固于地基，并保证有足够高度、强度及刚度；电机2固定于刚性塔柱1顶部侧方，在刚性塔柱1顶端安装转盘3；刚性支架4 固定于转盘3上面，并且有足够强度及刚度，在承受吊索模型6拉力作用下保证不会发生明显变形；吊索模型6上端通过套箍5与刚性支架4连接，下端依次与索力计7及张拉千斤顶8串联后，与地面锚碇9固结。通过刚性塔柱1顶部电机2驱动转盘3带动刚性支架4、套箍5、索力计7及张拉千斤顶8整个试验装置悬吊系统在平面内转动，从而方便(无需试验研究人员爬高到塔顶专门处理)调整吊索模型6的空间姿态，套箍5在吊索模型6松弛状态下，可沿刚性支架4水平滑动，由此方便调节吊索模型6相对刚性塔柱1之间的距离，考虑不同条件下塔柱的气动干扰效应，刚性支架4两端有保护块，防止吊索模型6 滑动过程中出现滑落。单根吊索模型6张拉受力会对刚性塔柱1造成附加弯矩，刚性塔柱1越高，吊索模型6索力越大，刚性塔柱1弯矩越大，结构越危险。因此，为了尽可能减小附加弯矩，提高安全性和增大索力试验范围，建议在刚性塔柱1左右对称布置同等型号的吊索模型6、索力计7、张拉千斤顶8及锚碇 9，而且可以同时完成两组试验，方便对比分析。通过张拉千斤顶8可以调整吊索模型6的张拉力，进而改变模型张拉刚度及振动频率。不同试验条件下，吊索模型风致振动信号可以采用加速度传感器10或高速摄像机11等仪器设备采集，吊索模型索力时程可以通过索力计7采集。根据气象预报，可以预先调整吊索模型6的空间姿态，即改变吊索模型6上、下端点位置。现场试验时风场参数(风速，风向等)可以通过三维风速仪监测。

所述的刚性塔柱1应有足够的高度、强度和刚度。出于经济性和安全性考虑，所述的刚性塔柱1一般可以采用钢管混凝土制作，高度一般为20～30m，钢管外径一般为1.0～1.5m，钢管壁厚一般为12.0～15.0mm。若刚性塔柱1外径太大，不仅会提高造价，且会增加钢管对流场的干扰效应；刚性塔柱1外径太小则难以保证其强度和刚度，可能存在安全隐患。所述的吊索模型6尺寸不受风洞尺寸条件限制，大大长于风洞试验吊索模型，可且可实现不同刚度、不同质量、不同表面粗糙程度等条件下风致振动试验。出于经济性和安全性考虑，所述的吊索模型6长度一般在20～30m范围内。

所述的索力计7和张拉千斤顶8根据吊索模型6的质量、抗拉强度、及试验工况中索力大小确定。

所述的转盘3及刚性支架4有足够的强度、刚度，刚性支架4可采用桁架结构形式或者轻型高强钢管制作。

本实用新型的有益效果：在良好的自然风场中开展超长吊索气弹模型风致振动试验，具有如下优越性：(1)无需大型风洞设备，节省大量能耗，试验装置成本比较低；(2)模型长度相对风洞试验可以提高5倍，甚至更大，吊索模型直径可以达到5cm，甚至更大；(3)自然风场特性无法在风洞实验室真实模拟，有些参数(如风速谱，积分尺度等)差别很大；(4)相对实桥吊索，本装置方便改变长度、质量、风偏角、索力、刚度、阻尼、表面粗糙程度等参数，因此更便于开展全面系统研究；(5)相对实桥吊索，本装置便于获得斜吊索风致内力及大幅振动时程。

附图说明

图1是自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置的构造图。

图中包括：1刚性塔柱；2电机；3转盘；4刚性支架；5套箍；6吊索模型； 7索力计；8张拉千斤顶；9锚碇；10加速度传感器；11高速摄像机。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本实用新型的具体实施方式：

如图1所示，自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置主要包括刚性立柱1、电机2、转盘3、刚性支架4、套箍5、吊索模型6、索力计7、张拉千斤顶8、锚碇9，另可根据试验条件，增设加速度传感器10或高速摄像机11 等仪器设备。刚性塔柱1嵌固于地基，并保证有足够高度、强度及刚度；电机2 固定于刚性塔柱1顶部，在刚性塔柱1顶端安装有转盘3；刚性支架4固定于转盘3上面，并且有足够强度及刚度在承受吊索模型6拉力作用下保证不会发生明显变形；吊索模型6上端通过套箍5与刚性支架4连接，下端依次与索力计7 及张拉千斤顶8串联后，与地面锚碇9固结。通过刚性塔柱1顶部电机2驱动转盘3带动刚性支架试验装置悬吊系统在平面内转动，从而方便(无需试验研究人员爬高到塔顶专门处理)调整吊索模型6的空间姿态，套箍5在吊索模型6 松弛状态下，可沿刚性支架4水平滑动，由此方便调节吊索模型6相对刚性塔柱1之间的距离，考虑不同条件下塔柱的气动干扰效应，刚性支架4两端有保护块，防止吊索模型6滑动过程中出现滑落。可在刚性塔柱1左右对称布置同等型号的吊索模型6、索力计7、张拉千斤顶8及锚碇9，而且可以同时完成两组试验，方便对比分析。通过张拉千斤顶8可以调整吊索模型6的张拉力，进而改变模型张拉刚度及振动频率。不同试验条件下，吊索模型风致振动信号可以采用加速度传感器10或高速摄像机11等仪器设备采集，吊索模型索力时程可以通过索力计7采集。根据气象预报，可以预先调整吊索模型6的空间姿态，即改变吊索模型6上、下端点位置。现场试验时风场参数(风速，风向等)可以通过三维风速仪监测。

Claims (10)

1.一种自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，所述的自然风场中超长吊索气弹模型振动试验装置包括刚性塔柱(1)、电机(2)、转盘(3)、刚性支架(4)、套箍(5)、吊索模型(6)、索力计(7)、张拉千斤顶(8)和锚碇(9)；刚性塔柱(1)嵌固于地基，并保证有足够高度、强度及刚度；电机(2)固定于刚性塔柱(1)顶部；在刚性塔柱(1)顶端安装有转盘(3)；刚性支架(4)固定于转盘(3)上面，并且有足够强度及刚度在承受吊索模型(6)拉力作用下保证不会发生明显变形；吊索模型(6)上端通过套箍(5)与刚性支架(4)连接，下端依次与索力计(7)及张拉千斤顶(8)串联后，与地面锚碇(9)固结；通过刚性塔柱(1)顶部电机(2)驱动转盘(3)带动刚性支架(4)、套箍(5)、索力计(7)及张拉千斤顶(8)整个试验装置悬吊系统在平面内转动，方便调整吊索模型(6)的空间姿态，套箍(5)在吊索模型(6)松弛状态下，沿刚性支架(4)水平滑动，由此方便调节吊索模型(6)相对刚性塔柱(1)之间的距离，考虑不同条件下刚性塔柱(1)的气动干扰效应；通过张拉千斤顶(8)调整吊索模型(6)的张拉力，进而改变模型张拉刚度及振动频率；吊索模型(6)索力时程通过索力计(7)采集；根据气象预报，预先调整吊索模型(6)的空间姿态，即改变吊索模型(6)上、下端点位置；现场试验时风场参数通过三维风速仪监测。

2.根据权利要求1所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，所述的自然风场中超长吊索气弹模型振动试验装置还包括加速度传感器(10)或高速摄像机(11)，吊索模型(6)风致振动信号采用加速度传感器(10)或高速摄像机(11)采集。

3.根据权利要求1或2所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，所述的刚性塔柱(1)左右对称布置同样的吊索模型(6)、索力计(7)、张拉千斤顶(8)及锚碇(9)，同时完成两组试验，方便对比分析。

4.根据权利要求1或2所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，出于经济性和安全性考虑，所述的吊索模型(6)长度在20～30m范围内，直径达到5cm以上。

5.根据权利要求3所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，出于经济性和安全性考虑，所述的吊索模型(6)长度在20～30m范围内，直径达到5cm以上。

6.根据权利要求1、2或5所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，所述的吊索模型(6)为单索股、双索股、四索股或更多索股竖向平行布置。

7.根据权利要求3所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，所述的吊索模型(6)为单索股、双索股、四索股或更多索股竖向平行布置。

8.根据权利要求4所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，所述的吊索模型(6)为单索股、双索股、四索股或更多索股竖向平行布置。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，所述的刚性塔柱(1)采用钢管混凝土制作，高度为20～30m，钢管外径为1.0～1.5m，钢管壁厚为12.0～15.0mm。

10.根据权利要求6所述的自然风场中超长吊索气弹模型风致振动试验装置，其特征在于，所述的刚性塔柱(1)采用钢管混凝土制作，高度为20～30m，钢管外径为1.0～1.5m，钢管壁厚为12.0～15.0mm。

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