CN215178499U - 一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置，包括桥梁节段模型，桥梁节段模型两侧通过法兰与两侧吊臂的内侧固定连接，吊臂两端连接弹簧，吊臂外侧与滚球外壳固结，滚球外壳半包裹着滚球，滚球与限位轨道点接触。本实用新型桥梁风洞节段模型试验装置，通过限位轨道与滚球的点接触间接限制桥梁节段模型在测振试验中的多余振动自由度，使弹簧竖向刚度在试验过程中得到保证，减小试验误差。同时，不损失试验中关心的振动自由度，也不会额外增加试验数据的处理难度；本实用新型与现有的桥梁风洞节段模型试验装置相比，安装方法接近，易于操作，提高了试验精度，使大多数科研人员更容易接受。

Description

一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置

技术领域

本实用新型属于一种两自由度桥梁节段模型试验装置，具体涉及一种限制模型侧向位移的风洞节段模型试验装置。

背景技术

现代桥梁结构越来越往长、细、轻、柔与低阻尼方向发展,随之对风作用更加敏感,气动弹性问题已成为大跨度及超大跨度桥梁强度、刚度和稳定性抗风设计的制约因素。常见风致振动主要有颤振、涡激振动、抖振、驰振和斜拉索风雨振。目前大跨度桥梁抗风研究主要采用4种方法,即理论分析、风洞试验、现场实测和数值风洞研究。风洞试验是目前采用最普遍的研究手段,主要通过表面测压、测力、测振及测速方法研究桥梁风荷载及抗风性能。

桥梁结构一般为柔长结构，在一个方向上有较大的尺度，而在其他两个方向则相对尺度较小。风对桥梁结构的作用近似满足片条理论，可通过节段模型试验来研究桥梁结构的风致振动响应。通过桥梁节段模型试验，可以测得桥梁断面的三分力系数、气动导数，为桥梁结构的抗风分析提供参数；同时通过节段模型试验对桥梁结构进行二自由度的颤振临界风速试验实测和涡激振动响应。在大跨度桥梁结构初步设计阶段一般都要通过节段模型试验来进行气动选型；对于一般大跨度桥梁结构也要通过节段模型试验来检验其气动性能，因此桥梁结构节段模型试验是十分重要的桥梁结构模型试验，也是应用最为广泛的风洞试验。节段模型试验根据其测试响应的不同可以分为测力试验和测振试验；根据节段模型试验悬挂方式的不同可以分为刚性悬挂节段模型试验、强迫振动试验和弹性悬挂节段模型试验。

两自由度节段模型是桥梁风洞试验测振采用的一种主要模型，这种模型在设计时考虑竖向和扭转两个自由度。两自由度测振实验装置采用弹簧悬挂节段模型，装置简单，操作较为方便。在实际试验中，可能会出现主梁的侧向振动。或者在大振幅竖向和扭转耦合振动时。悬挂弹簧将不再保持竖直状态，此时的弹簧刚度不满足设计时的线性条件，系统的扭转刚度和竖向刚度的比值也会偏离设计值。这种状态的弹簧将会对试验结果形成误差。竖向和扭转耦合自由振动振幅越大，弹簧侧向倾斜越大，试验误差也越大。一般认为当扭转振幅小于2°，误差基本可以忽略。但对于大振幅扭转振动情况，采用传统自由竖向和扭转耦合自由振动试验装置根本无法模拟。扭转振幅即使只有10°，结果就已经完全错误。现有的主要采用的试验装置无法避免主梁侧向振动也不能研究研究大幅度的两自由度弯扭耦合振动。

实用新型内容

本发明要解决的技术问题是针对桥梁节段模型测振试验中出现的模型侧向振动以及大幅度的弯扭耦合振动引起的系统刚度偏离设计值的问题。提出了一种可以避免主梁在振动过程中造成悬挂弹簧刚度改变的两自由度耦合振动的试验装置。限制侧向位移的两自由度桥梁节段模型试验装置主要包括桥梁节段模型、法兰、吊臂、弹簧、滚球外壳、滚球、限位轨道以及弹簧吊点。

为了达到上述目的，本实用新型包括桥梁节段模型1、法兰2、吊臂3、左弹簧4-1和右弹簧4-2、滚球外壳5、滚球6、限位轨道7、左下弹簧吊点8-1、右下弹簧吊点8-2、左上弹簧吊点8-3以及右上弹簧吊点8-4。桥梁节段模型1两端连接有法兰2，通过法兰2将桥梁节段模型1与吊臂3连接起来，吊臂3两端连接有左弹簧4-1和右弹簧4-2，左弹簧4-1和右弹簧4-2挂在限位轨道7的顶部外伸部分，限位轨道7通过滚球6及滚球外壳5间接约束吊臂3的侧向位移，进而约束桥梁节段模型1的侧向位移，左下弹簧吊点8-1、右下弹簧吊点8-2和左上弹簧吊点8-3、右上弹簧吊点8-4分别栓接在吊臂3和限位轨道7上。在左弹簧4-1 和右弹簧4-2的约束下桥梁节段模型1与吊臂3同步做两自由度耦合振动，从而带动滚球6在限位轨道7的约束下做转动或竖直方向运动。左弹簧4-1和右弹簧 4-2在整个振动过程中只产生竖向变形。

与现有风洞试验装置相比，本实用新型限制桥梁节段模型在试验过程中的侧向位移，悬挂弹簧只产生竖向的伸缩变形而不发生侧向振动或是倾斜。该装置保证在振动过程中通过弹簧的竖向伸缩来模拟系统的竖向刚度，限制侧向位移从而保证系统的弯扭刚度比与设计值保持一致。约束侧向自由度，使系统处于两自由度运动状态。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的侧视图；

其中，1、桥梁节段模型；2、法兰；3、吊臂；4-1、左弹簧；4-2、右弹簧； 5、滚球外壳；6、滚球；7、限位轨道；8-1、左下弹簧吊点；8-2、右下弹簧吊点； 8-3、左上弹簧吊点；8-4、右上弹簧吊点；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

参见图1和图2，本实用新型主要包括桥梁节段模型1、法兰2、吊臂3、左弹簧4-1、右弹簧4-2、滚球外壳5、滚球6、限位轨道7、左下弹簧吊点8-1、右下弹簧吊点8-2、左上弹簧吊点8-3以及右上弹簧吊点8-4。桥梁节段模型1两侧连接有法兰2，通过法兰2将桥梁节段模型1与吊臂3连接起来，吊臂3两端连接有左弹簧4-1和右弹簧4-2，左弹簧4-1和右弹簧4-2挂在限位轨道7的顶部外伸部分，限位轨道7通过滚球6及滚球外壳5间接约束吊臂3的侧向位移，进而约束桥梁节段模型1的侧向位移，左下弹簧吊点8-1、右下弹簧吊点8-2和左上弹簧吊点8-3、右上弹簧吊点8-4分别栓接在吊臂3和限位轨道7上。在左弹簧 4-1和右弹簧4-2的约束下桥梁节段模型1与吊臂3同步做两自由度耦合振动，从而带动滚球6在限位轨道7的约束下做转动或竖直方向运动。左弹簧4-1和右弹簧4-2在整个振动过程中只产生竖向变形。保证在振动过程中通过弹簧的竖向伸缩来模拟系统的竖向刚度，限制侧向位移从而保证系统的弯扭刚度比与设计值保持一致。约束侧向自由度，使系统处于两自由度运动状态。

优选的，滚球6与限位轨道在工作时为点接触，二者之间摩擦力较小。

优选的，滚球外壳5半包滚球6，保证滚球5既不会掉出装置，也可以在限位轨道7内自由滚动。

优选的，滚球外壳5与吊臂3固接为一体。

优选的，限位轨道7可根据桥梁节段模型1长度调整位置，限位轨道7可同时根据试验所在风洞调整高度，以适应试验要求。

优选的，左下弹簧吊点8-1、右下弹簧吊点8-2和左上弹簧吊点8-3、右上弹簧吊点8-4可分别在吊臂3和限位轨道7的顶部外伸部分上进行单向滑动，调整到合适位置后通过螺栓固定，以满足试验中的扭转频率要求。

优选的，左弹簧4-1和右弹簧4-2的顶端固定在限位轨道7顶部的外伸部分，左弹簧4-1和右弹簧4-2可根据试验要求进行更换，限位轨道7同时起到模型支架的作用。

使用时，用户先根据风洞尺寸及桥梁节段模型1的尺寸确定好限位轨道7的位置，按照设计要求确定好左上弹簧吊点8-3和右上弹簧吊点8-4的间距，并拧紧螺栓。同样的，按照设计要求确定好左下弹簧吊点8-1和右下弹簧吊点8-2的间距，并拧紧螺栓。然后将预先设计选取好的左弹簧4-1和右弹簧4-2的顶部分别挂到左上弹簧吊点8-3和右上弹簧吊点8-4。接下来将桥梁节段模型1与吊臂3 通过法兰2连接好，然后将他们整体通过左下弹簧吊点8-1和右下弹簧吊点8-2 分别与左弹簧4-1和右弹簧4-2连接。最后，调整滚球6在限位轨道7中的位置至合适，连接好其他试验所需仪器，准备开始试验。

当桥梁节段模型1产生竖向或扭转振动时，限位轨道7对滚球6的侧向限制作用通过滚球外壳5、吊臂3和法兰2依次传给节段模型1，保证节段模型1只产生竖向和扭转振动，进而保证左弹簧4-1和右弹簧4-2不产生侧向位移发生刚度折减。

Claims (6)

1.一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置，其特征在于，包括桥梁节段模型(1)、法兰(2)、吊臂(3)、左弹簧(4-1)、右弹簧(4-2)、滚球外壳(5)、滚球(6)、限位轨道(7)以及左下弹簧吊点(8-1)、右下弹簧吊点(8-2)、左上弹簧吊点(8-3)、右上弹簧吊点(8-4)；所述桥梁节段模型(1)两侧连接有所述法兰(2)，通过所述法兰(2)将所述桥梁节段模型(1)与所述吊臂(3)连接起来，所述吊臂(3)两端连接有所述左弹簧(4-1)和右弹簧(4-2)，所述左弹簧(4-1)和右弹簧(4-2)挂在所述限位轨道(7)的顶部外伸部分，所述限位轨道(7)通过所述滚球(6)及所述滚球外壳(5)间接约束所述吊臂(3)的侧向位移，进而约束所述桥梁节段模型(1)的侧向位移，所述左下弹簧吊点(8-1)、右下弹簧吊点(8-2)和左上弹簧吊点(8-3)、右上弹簧吊点(8-4)分别栓接在所述吊臂(3)和所述限位轨道(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置，其特征在于，所述吊臂(3)中间与所述滚球外壳(5)之间进行固接。

3.根据权利要求1所述的一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置，其特征在于，所述滚球外壳(5)半包所述滚球(6)，所述滚球(6)可在所述滚球外壳(5)内自由滚动，所述滚球(6)与所述限位轨道(7)为三点接触。

4.根据权利要求1所述的一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置，其特征在于，所述限位轨道(7)可根据所述桥梁节段模型(1)长度调整位置，所述限位轨道(7)可同时根据试验所在风洞调整高度，以适应试验要求。

5.根据权利要求1所述的一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置，其特征在于，所述左下弹簧吊点(8-1)、右下弹簧吊点(8-2)和左上弹簧吊点(8-3)、右上弹簧吊点(8-4)可分别在所述吊臂(3)和所述限位轨道(7)的顶部外伸部分上进行单向滑动，调整到合适位置后通过螺栓固定，以满足试验中的扭转频率要求。

6.根据权利要求1所述的一种限制侧向位移的桥梁风洞节段模型试验装置，其特征在于，所述左弹簧(4-1)和所述右弹簧(4-2)的顶端固定在所述限位轨道(7)顶部的外伸部分，所述左弹簧(4-1)和所述右弹簧(4-2)可根据试验要求进行更换，所述限位轨道(7)同时起到模型支架的作用。

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