橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)、風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型和動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其中：風(fēng)浪流耦合場(chǎng)由考慮風(fēng)、浪、流時(shí)間同步和空間相關(guān)的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生；風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁彈性結(jié)構(gòu)特性的模擬；動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)橋梁彈性模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬、風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型模擬及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試。
【專利說(shuō)明】橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及橋梁工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)進(jìn)入跨海橋梁建設(shè)的新時(shí)期，相繼建成了東海大橋、杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋等跨海大橋。目前，象山港跨海大橋、港珠澳跨海大橋、泉州灣跨海大橋等正在建設(shè)中。此外，一批外海巨型橋梁工程正在規(guī)劃建設(shè)，如瓊州海峽跨海大橋、渤海海峽跨海大橋等。對(duì)于跨海大橋，強(qiáng)風(fēng)、波浪和海流是控制橋梁建設(shè)的重要因素。
[0003]在海洋環(huán)境中，風(fēng)浪流場(chǎng)并不是風(fēng)場(chǎng)、波浪場(chǎng)和水流場(chǎng)的簡(jiǎn)單疊加，而是一個(gè)復(fù)雜的耦合過(guò)程。海洋里的波浪主要是風(fēng)浪和涌浪，其中風(fēng)浪是在風(fēng)力的直接作用下形成的波浪；當(dāng)風(fēng)停止或當(dāng)波浪離開(kāi)風(fēng)區(qū)時(shí)，這時(shí)的波浪便稱為涌浪。對(duì)于瓊州海峽而言，實(shí)測(cè)波浪資料顯示該海域以風(fēng)浪為主，該海域的最大波浪是由臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的。另一方面，由于波浪的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致海面上下起伏并隨時(shí)間變化，改變了氣液界面的粗糙度，從而影響風(fēng)的運(yùn)動(dòng)。因此，風(fēng)和浪之間存在相互耦合特性。此外，浪和流之間也具有耦合性。波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)只做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而海流是水質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)產(chǎn)生的，當(dāng)波浪和海流相遇時(shí)，它們間的相互作用將影響各自的傳播特性，即波浪要素將發(fā)生變形，同時(shí)水流的流速分布也將發(fā)生變化。因此，波-流場(chǎng)并不是波浪場(chǎng)與水流場(chǎng)的簡(jiǎn)單疊加，而是一個(gè)比較復(fù)雜的耦合過(guò)程。
[0004]跨海大橋的剛度低、阻尼小，在風(fēng)的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)、抖振、馳振，甚至可能發(fā)生氣動(dòng)失穩(wěn)；在波浪和水流作用下，特別是在波浪卓越周期與橋梁振動(dòng)周期接近的情況下，將會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅共振。因此，在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中，橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生大幅振動(dòng)，甚至可能發(fā)生毀滅性破壞。
[0005]橋梁的風(fēng)浪流耦合作用問(wèn)題是復(fù)雜的氣-固耦合和液-固耦合問(wèn)題:一方面，橋梁結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)將改變風(fēng)浪流場(chǎng)；另一方面，風(fēng)浪流場(chǎng)的變化將導(dǎo)致其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)發(fā)生改變。因此，傳統(tǒng)采用分別計(jì)算風(fēng)、浪、流單因素作用然后進(jìn)行疊加的方法不能夠準(zhǔn)確反映橋梁在風(fēng)浪流耦合作用下的受力性能。為準(zhǔn)確評(píng)估跨海橋梁在風(fēng)、浪和流環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，需要考慮風(fēng)、浪、流和橋梁結(jié)構(gòu)之間的耦合效應(yīng)。
[0006]在風(fēng)浪流耦合作用試驗(yàn)?zāi)M研究方面，目前試驗(yàn)室對(duì)于單獨(dú)的風(fēng)、浪、流的模擬技術(shù)比較成熟，對(duì)風(fēng)-浪聯(lián)合作用、浪-流耦合作用的研究也具有一定的研究基礎(chǔ)，但對(duì)于時(shí)間同步、空間相關(guān)的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)的試驗(yàn)室模擬研究很少。
[0007]在風(fēng)場(chǎng)中，橋梁結(jié)構(gòu)通常采用彈性模型或剛性模型進(jìn)行模擬和試驗(yàn)測(cè)試；在浪-流場(chǎng)中，由于橋梁模型節(jié)段間隙防水困難、水下儀器安裝和測(cè)試?yán)щy等因素，橋梁結(jié)構(gòu)通常采用剛性模型進(jìn)行模擬和試驗(yàn)測(cè)試。在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中，橋梁彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試仍處于空白。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0009]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是針對(duì)橋梁風(fēng)浪流耦合作用模型試驗(yàn)中不能準(zhǔn)確模擬風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、橋梁彈性模型及其測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)等問(wèn)題，提供一種橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬、風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型模擬和動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1、風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型19和動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)26，其中:風(fēng)浪流耦合場(chǎng)由考慮風(fēng)、浪、流時(shí)間同步和空間相關(guān)的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)I產(chǎn)生；風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型19用于在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)I產(chǎn)生的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁彈性結(jié)構(gòu)特性的模擬；動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)26用于對(duì)橋梁彈性模型19的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果。
[0012]上述方案中，該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)I包括風(fēng)洞2、入風(fēng)口 3、造風(fēng)機(jī)4、紊流發(fā)生裝置5、裝置工作臺(tái)6、風(fēng)速儀7、出風(fēng)口 8、水槽9、升降式水槽底板10、造波機(jī)11、消波器
12、波高儀13、入水口 14、導(dǎo)流堤15、造流機(jī)16、流速儀17和出水口 18，其中:
[0013]風(fēng)洞2的長(zhǎng)度L為40?80m、寬度B為4?20m、高度H為3?8m ;水槽9的長(zhǎng)度LI為20?60m、寬度BI為3?19m、深度Hl為2?4m ;裝置工作臺(tái)6的長(zhǎng)度L2 = 5?15m,其寬度B2與風(fēng)洞寬度B相同，其頂面與水槽9靜水面的垂直高度H2為0.2?0.5m ;水槽9靜水面與升降式水槽底板10的垂直高度H3為0.3?3.5m ;
[0014]風(fēng)速Vw(X，y, z, t)利用造風(fēng)機(jī)4和紊流發(fā)生裝置5在風(fēng)洞2中進(jìn)行模擬，利用風(fēng)速儀7對(duì)風(fēng)速Vw (X, y, z, t)進(jìn)行測(cè)試；波速Cw (X, y, z, t)和波高Hw(x, y, t)利用由造波機(jī)11和消波器12在水槽9中進(jìn)行模擬，利用波高儀13對(duì)波高Hw(X，y, t)進(jìn)行測(cè)試；水流流速Vjx, y, z, t)利用造流機(jī)16進(jìn)行模擬,利用流速儀17對(duì)水流流速Vjx, y, z, t)進(jìn)行測(cè)試。
[0015]上述方案中，風(fēng)速Vw(X, y, z, t)、波速Cw(x, y, z, t)、波高Hw(x, y, t)和水流流速Vc(x, y, z, t)均為時(shí)間同步、空間相關(guān)的函數(shù),風(fēng)速Vw(X, y, z, t)與水流流速Vjx, y, z, t)的方向能夠在α = 0°?180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
[0016]上述方案中，該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型19由彈性骨架20、外衣21、外衣密封帶22、質(zhì)量配件23、阻尼配件24和模型底座25構(gòu)成，其中:彈性骨架20用于模擬縮尺后橋梁結(jié)構(gòu)的剛度；外衣21用于模擬縮尺后橋梁結(jié)構(gòu)的幾何外形；外衣密封帶22用于對(duì)相鄰?fù)庖?1節(jié)段之間的間隙進(jìn)行密封，避免氣流、水流通過(guò)外衣21之間的間隙進(jìn)入橋梁彈性相似模型19內(nèi)部；質(zhì)量配件23和阻尼配件24用于與彈性骨架20、外衣21、外衣密封帶22共同模擬縮尺后表征橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和阻尼。
[0017]上述方案中，該彈性骨架20采用鋼、合金或復(fù)合材料，由若干離散單元段通過(guò)焊接加工制成。
[0018]上述方案中，該外衣21的具體尺寸通過(guò)幾何相似計(jì)算得到，采用木材、ABS板或PVC板材料，按分節(jié)段制作，并通過(guò)剛性支架固定在彈性骨架20上，裝配時(shí)相鄰?fù)庖?1節(jié)段之間需要留有I?5mm的間隙，避免橋梁彈性模型19發(fā)生彈性變形時(shí)相鄰?fù)庖?1之間發(fā)生碰撞或擠壓。
[0019]上述方案中，該外衣密封帶22的厚度t為0.1?0.5毫米，寬度b為10?20毫米，采用密度小、彈性高、防水防氣密實(shí)性好的橡膠或復(fù)合材料，且該外衣密封帶22通過(guò)粘結(jié)材料緊密粘貼在該外衣21節(jié)段之間間隙的外側(cè)。
[0020]上述方案中，該質(zhì)量配件23由銅片、銅塊、鉛片或鉛塊等制成，通過(guò)螺栓或高粘膠呈分布式安裝在該外衣21內(nèi)側(cè)或彈性骨架20上，并通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量配件23距離斷面形心的距離來(lái)滿足質(zhì)量慣矩的相似比要求。
[0021]上述方案中，該阻尼配件24采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、阻尼棒、粘性膠帶或彈性橡膠構(gòu)件，呈分布式安裝在該外衣21內(nèi)側(cè)或彈性骨架20上。
[0022]上述方案中，該動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)26包括防水六分量測(cè)力天平27、天平底座28、位移計(jì)29和位移計(jì)托架30，其中:
[0023]該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型19通過(guò)模型底座25安裝在防水六分量測(cè)力天平27上，防水六分量測(cè)力天平27通過(guò)天平底座28固定在升降式水槽底板10上，防水六分量測(cè)力天平27的卓越頻率高于橋梁彈性模型19的卓越頻率，通過(guò)防水六分量測(cè)力天平27對(duì)橋梁彈性模型19底部的六分量反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試；
[0024]該位移計(jì)托架30安放在橋梁彈性模型19的來(lái)流尾部或垂直于來(lái)流的側(cè)面附近，固定于風(fēng)洞2頂壁或水槽底板10 ；
[0025]該位移計(jì)29安裝在位移計(jì)托架30上，利用位移計(jì)29對(duì)橋梁彈性模型19的頂部、3/4高度處、1/2高度處、1/4高度處、波面附近處的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。
[0026](三)有益效果
[0027]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0028]1、本發(fā)明由于能夠同時(shí)對(duì)風(fēng)場(chǎng)、波浪場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行模擬，所以能夠產(chǎn)生風(fēng)、浪、流時(shí)間同步、空間相關(guān)、與自然條件相似的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)。
[0029]2、本發(fā)明由于能夠模擬橋梁結(jié)構(gòu)的幾何、剛度、質(zhì)量、阻尼等相似特性，并提出了防水結(jié)構(gòu)措施，所以能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中的彈性模型試驗(yàn)研究。
[0030]3、本發(fā)明由于能夠進(jìn)行橋梁彈性結(jié)構(gòu)模型在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)和六分量反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，因此能夠獲得橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)
果O
[0031]4、本發(fā)明能夠?yàn)榭缃蛄旱慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究提供技術(shù)支撐。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為本發(fā)明提供的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的剖面示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明提供的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的平面示意圖；其中，(a)是波浪方向與水流方向呈小交角狀態(tài)的示意圖；(b)是波浪方向與水流方向呈大交角狀態(tài)的示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明提供的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中橋塔彈性模型的示意圖；
[0035]圖4為本發(fā)明提供的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中橋塔彈性模型外衣與外衣密封帶的示意圖。
[0036]附圖標(biāo)記:[0037]風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)I ;
[0038]風(fēng)洞2 ;入風(fēng)口 3 ;造風(fēng)機(jī)4 ;紊流發(fā)生裝置5 ;裝置工作臺(tái)6 ;風(fēng)速儀7 ;出風(fēng)口 8 ；水槽9;升降式水槽底板10 ;造波機(jī)11 ;消波器12 ;波高儀13 ;入水口 14 ;導(dǎo)流堤15 ;造流機(jī)16 ;流速儀17 ;出水口 18 ；
[0039]橋梁彈性模型19 ；
[0040]彈性骨架20 ;外衣21 ;外衣密封帶22 ;質(zhì)量配件23 ;阻尼配件24 ;模型底座25 ；
[0041]動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)26 ;
[0042]防水六分量測(cè)力天平27 ;天平底座28 ;位移計(jì)29 ;位移計(jì)托架30 ；
[0043]風(fēng)洞長(zhǎng)度L ;風(fēng)洞寬度B ;風(fēng)洞高度H;
[0044]水槽長(zhǎng)度LI ;水槽寬度BI ;水槽深度Hl ；
[0045]裝置工作臺(tái)長(zhǎng)度L2 ;裝置工作臺(tái)寬度B2 ；
[0046]裝置工作臺(tái)頂面與水槽靜水面的垂直高度H2 ；
[0047]水槽靜水面與升降式水槽底板的垂直高度H3。
【具體實(shí)施方式】
[0048]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0049]如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的剖面示意圖，該系統(tǒng)包括風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1、風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型19及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)26。
[0050]其中，風(fēng)浪流耦合場(chǎng)由考慮風(fēng)、浪、流時(shí)間同步、空間相關(guān)的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)I產(chǎn)生，風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)I包括風(fēng)洞2、入風(fēng)口 3、造風(fēng)機(jī)4、紊流發(fā)生裝置5、裝置工作臺(tái)6、風(fēng)速儀7、出風(fēng)口 8、水槽9、升降式水槽底板10、造波機(jī)11、消波器12、波高儀13、入水口 14、導(dǎo)流堤15、造流機(jī)16、流速儀17和出水口 18。
[0051]風(fēng)洞2的長(zhǎng)度L為40?80m、寬度B為4?20m、高度H為3?8m ;水槽9的長(zhǎng)度LI為20?60m、寬度BI為3?19m、深度Hl為2?4m ;裝置工作臺(tái)6的長(zhǎng)度L2 = 5?15m,其寬度B2與風(fēng)洞寬度B相同，其頂面與水槽9靜水面的垂直高度H2為0.2?0.5m ;水槽9靜水面與升降式水槽底板10的垂直高度H3為0.3?3.5m。
[0052]風(fēng)浪流耦合場(chǎng)的風(fēng)速Vw(X，y,z,t)利用造風(fēng)機(jī)4和紊流發(fā)生裝置5在風(fēng)洞2中進(jìn)行模擬，具體為:利用造風(fēng)機(jī)4產(chǎn)生均勻來(lái)流風(fēng)場(chǎng)，然后采用尖塔、格柵和粗糙元等紊流發(fā)生裝置5對(duì)均勻來(lái)流風(fēng)進(jìn)行人為擾動(dòng)，并通過(guò)調(diào)整紊流發(fā)生裝置5的幾何形狀及布置形式，利用風(fēng)速儀7對(duì)風(fēng)速Vw(x，y，z，t)進(jìn)行測(cè)試反饋，從而產(chǎn)生符合目標(biāo)的紊流風(fēng)場(chǎng)。風(fēng)速儀7通過(guò)剛性測(cè)試架安裝在橋梁彈性模型19的附近。
[0053]風(fēng)浪流I禹合場(chǎng)的波速Cw (X, y, z, t)和波高Hw(x, y, t)利用由造波機(jī)11、消波器12在水槽9中進(jìn)行模擬，具體為:根據(jù)實(shí)測(cè)得到的耦合波浪場(chǎng)波譜、波高等輸入?yún)?shù)，通過(guò)造波機(jī)11將計(jì)算機(jī)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)推動(dòng)機(jī)械造波板運(yùn)動(dòng)，并利用放置在邊界處的消波器12來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波和消波，以減少邊界對(duì)模擬波浪場(chǎng)的反射影響。利用波高儀13對(duì)波高Hw(x，y，t)進(jìn)行測(cè)試反饋，從而產(chǎn)生符合目標(biāo)波浪場(chǎng)指標(biāo)的波浪場(chǎng)。波高儀13放在橋梁彈性模型19的附近。[0054]風(fēng)浪流耦合場(chǎng)的水流流速V。(X，y,z,t)利用造流機(jī)15進(jìn)行模擬，具體為:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的流速參數(shù)，在出水口 18通過(guò)造流機(jī)16將水抽出，并在入水口 14處注入，使水流按導(dǎo)流堤15設(shè)定的方向流動(dòng)，利用流速儀17對(duì)水流流速V。(X, y,z,t)進(jìn)行測(cè)試,并通過(guò)控制造流機(jī)16的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流速的控制，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)水流流速的模擬。流速儀17安放在橋梁彈性模型19的附近。
[0055]風(fēng)浪流稱合場(chǎng)的風(fēng)速Vw(X, y, z, t)、波速Cw(x, y, z, t)、波高Hw(x, y, t)、水流流速Vc(x, y, z, t)為時(shí)間同步、空間相關(guān)的函數(shù),風(fēng)速Vw(X, y, z, t)與水流流速V。(x, y, z, t)的方向可以在α = 0°?180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，如圖2所示。
[0056]如圖3所示，圖3為本發(fā)明提供的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中橋塔彈性模型的示意圖，該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型19由彈性骨架20、外衣21、外衣密封帶22、質(zhì)量配件23、阻尼配件24和模型底座25構(gòu)成。橋梁彈性模型19的設(shè)計(jì)遵循彈性相似性和幾何相似準(zhǔn)則，包括Reynolds數(shù)、Froude數(shù)、Strouhal數(shù)、Cauchy數(shù)、密度比、阻尼比相似，對(duì)于流體粘滯力變化不大的鈍體結(jié)構(gòu)可以放松雷諾數(shù)的模擬要求，或采用表面加粗糙度等方法模擬雷諾數(shù)效應(yīng)。
[0057]橋梁彈性模型19的彈性骨架20模擬縮尺后橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，彈性骨架20的截面尺寸根據(jù)剛度相似準(zhǔn)則計(jì)算確定，可由鋼、合金或復(fù)合材料等制成；彈性骨架20可由若干離散單元段通過(guò)焊接加工制成。
[0058]橋梁彈性模型19的外衣21模擬縮尺后橋梁結(jié)構(gòu)的外形，具體尺寸通過(guò)幾何相似計(jì)算得到，外衣21可用木材、ABS板、PVC板等輕型材料制成；外衣21按分節(jié)段制作，并通過(guò)剛性支架固定在彈性骨架20上，裝配時(shí)相鄰?fù)庖?1節(jié)段之間需要留有I?5mm的間隙，避免橋梁彈性模型19發(fā)生彈性變形時(shí)相鄰?fù)庖?1之間發(fā)生碰撞或擠壓。
[0059]橋梁彈性模型19的外衣密封帶22對(duì)相鄰?fù)庖?1節(jié)段之間的間隙進(jìn)行密封，避免氣流、水流通過(guò)外衣21之間的間隙進(jìn)入橋梁彈性相似模型19，外衣密封帶22的厚度t為
0.1?0.5毫米，外衣密封帶22的寬度b為10?20毫米，其可選用密度小、彈性高、防水(防氣)密實(shí)性好的橡膠或復(fù)合材料，外衣密封帶22通過(guò)粘結(jié)材料緊密粘貼在外衣21節(jié)段之間間隙的外側(cè)。
[0060]橋梁彈性模型19的質(zhì)量配件23和阻尼配件24與彈性骨架20、外衣21、外衣密封帶22共同模擬縮尺后橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和阻尼。質(zhì)量配件23可由銅片(塊)或鉛片(塊)等制成，可通過(guò)螺栓或高粘膠呈分布式安裝在外衣21內(nèi)側(cè)或彈性骨架20上，并通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量配件23距離斷面形心的距離來(lái)滿足質(zhì)量慣矩的相似比要求。阻尼配件24可采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、阻尼棒、粘性膠帶、彈性橡膠等構(gòu)件，呈分布式安裝在外衣21內(nèi)側(cè)或彈性骨架20上。
[0061]見(jiàn)圖1、圖2和圖3，本發(fā)明提供的動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)26包括防水六分量測(cè)力天平27、天平底座28、位移計(jì)29和位移計(jì)托架30。
[0062]風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型19通過(guò)模型底座25安裝在防水六分量測(cè)力天平27上、防水六分量測(cè)力天平27通過(guò)天平底座28固定在升降式水槽底板10上，防水六分量測(cè)力天平27的卓越頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于橋梁彈性模型19的卓越頻率，通過(guò)防水六分量測(cè)力天平27對(duì)橋梁彈性模型19底部的六分量反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。位移計(jì)托架30安放在橋梁彈性模型19的來(lái)流尾部和垂直于來(lái)流的側(cè)面附近，固定于風(fēng)洞2頂壁或水槽底板10，位移計(jì)29安裝在位移計(jì)托架30上，利用位移計(jì)29對(duì)橋梁彈性模型19的頂部、3/4高度處、1/2高度處、1/4高度處、波面附近處和其它關(guān)鍵截面位置處的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。
[0063]本發(fā)明是對(duì)造風(fēng)系統(tǒng)、造波系統(tǒng)和造流系統(tǒng)的有機(jī)整合，能夠產(chǎn)生時(shí)間同步、空間相關(guān)的風(fēng)、浪和流的耦合場(chǎng)；本發(fā)明提出了基于氣彈和水彈性理論的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中的橋梁彈性模型的模擬方法。本發(fā)明可用于橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪流耦合作用下的彈性模型試驗(yàn)研究，測(cè)試橋梁彈性模型在風(fēng)浪流耦合作用下的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)和六分量反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為跨海橋梁設(shè)計(jì)與建造提供技術(shù)支撐。
[0064]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)(I)、風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型(19)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)(26)，其中: 風(fēng)浪流耦合場(chǎng)由考慮風(fēng)、浪、流時(shí)間同步和空間相關(guān)的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)(I)產(chǎn)生； 風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型(19)用于在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)(I)產(chǎn)生的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁彈性結(jié)構(gòu)特性的模擬； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)(26)用于對(duì)橋梁彈性模型(19)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)(I)包括風(fēng)洞(2)、入風(fēng)口(3)、造風(fēng)機(jī)(4)、紊流發(fā)生裝置(5)、裝置工作臺(tái)(6)、風(fēng)速儀(7)、出風(fēng)口(8)、水槽(9)、升降式水槽底板(10)、造波機(jī)(11)、消波器(12)、波高儀(13)、入水口(14)、導(dǎo)流堤(15)、造流機(jī)(16)、流速儀(17)和出水口(18)，其中: 風(fēng)洞⑵的長(zhǎng)度L為40~80m、寬度B為4~20m、高度H為3~8m ;水槽(9)的長(zhǎng)度LI為20~60m、寬度BI為3~19m、深度Hl為2~4m ;裝置工作臺(tái)(6)的長(zhǎng)度L2 = 5~15m,其寬度B2與風(fēng)洞寬度B相同，其頂面與水槽(9)靜水面的垂直高度H2為0.2~0.5m ;水槽(9)靜水面與升降式水槽底板(10)的垂直高度H3為0.3~3.5m ; 風(fēng)速Vw(x，y，z，t)利用造風(fēng)機(jī)(4)和紊流發(fā)生裝置(5)在風(fēng)洞(2)中進(jìn)行模擬，利用風(fēng)速儀⑵對(duì)風(fēng)速Vw(x, y, z, t)進(jìn)行測(cè)試；波速Cw(x, y, z, t)和波高Hw(x,y,t)利用由造波機(jī)(11)和消波器(12)在水槽(9)中進(jìn)行模擬，利用波高儀(13)對(duì)波高Hw(x，y，t)進(jìn)行測(cè)試；水流流速Vjx, y, z, t)利用造流機(jī)(16)進(jìn)行模擬,利用流速儀(17)對(duì)水流流速V。(x,y，z, t)進(jìn)行測(cè)試。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，風(fēng)速Vw(X, y, z, t)、波速Cw(x, y, z, t)、波高Hw(x, y, t)和水流流速V。(x,y，z,t)均為時(shí)間同步、空間相關(guān)的函數(shù),風(fēng)速Vw(x, y, z, t)與水流流速V。(x, y, z, t)的方向能夠在α =0°~180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型(19)由彈性骨架(20)、外衣(21)、外衣密封帶(22)、質(zhì)量配件(23)、阻尼配件(24)和模型底座(25)構(gòu)成，其中: 彈性骨架(20)用于模擬縮尺后橋梁結(jié)構(gòu)的剛度； 外衣(21)用于模擬縮尺后橋梁結(jié)構(gòu)的幾何外形； 外衣密封帶(22)用于對(duì)相鄰?fù)庖?21)節(jié)段之間的間隙進(jìn)行密封，避免氣流、水流通過(guò)外衣(21)之間的間隙進(jìn)入橋梁彈性相似模型(19)內(nèi)部； 質(zhì)量配件(23)和阻尼配件(24)用于與彈性骨架(20)、外衣(21)、外衣密封帶(22)共同模擬縮尺后表征橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和阻尼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該彈性骨架(20)采用鋼、合金或復(fù)合材料，由若干離散單元段通過(guò)焊接加工制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該外衣(21)的具體尺寸通過(guò)幾何相似計(jì)算得到，采用木材、ABS板或PVC板材料，按分節(jié)段制作，并通過(guò)剛性支架固定在彈性骨架(20)上，裝配時(shí)相鄰?fù)庖?21)節(jié)段之間需要留有I~5mm的間隙，避免橋梁彈性模型(19)發(fā)生彈性變形時(shí)相鄰?fù)庖?21)之間發(fā)生碰撞或擠壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該外衣密封帶(22)的厚度t為0.1~0.5毫米，寬度b為10~20毫米，采用密度小、彈性高、防水防氣密實(shí)性好的橡膠或復(fù)合材料，且該外衣密封帶(22)通過(guò)粘結(jié)材料緊密粘貼在該外衣(21)節(jié)段之間間隙的外側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該質(zhì)量配件(23)由銅片、銅塊、鉛片或鉛塊制成，通過(guò)螺栓或高粘膠呈分布式安裝在該外衣(21)內(nèi)側(cè)或彈性骨架(20)上，并通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量配件(23)距離斷面形心的距離來(lái)滿足質(zhì)量慣矩的相似比要求。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該阻尼配件(24)采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、阻尼棒、粘性膠帶或彈性橡膠構(gòu)件，呈分布式安裝在該外衣(21)內(nèi)側(cè)或彈性骨架(20)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、彈性模型模擬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)(26)包括防水六分量測(cè)力天平(27)、天平底座(28)、位移計(jì)(29)和位移計(jì)托架(30)，其中: 該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中橋梁彈性模型(19)通過(guò)模型底座(25)安裝在防水六分量測(cè)力天平(27)上，防水六分量測(cè)力天平(27)通過(guò)天平底座(28)固定在升降式水槽底板(10)上，防水六分量測(cè)力天平(27)的卓越頻率高于橋梁彈性模型(19)的卓越頻率，通過(guò)防水六分量測(cè)力天平(27)對(duì)橋梁彈性模型(19)底部的六分量反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試； 該位移計(jì)托架(30)安放在橋梁彈性模型(19)的來(lái)流尾部或垂直于來(lái)流的側(cè)面附近，固定于風(fēng)洞(2)頂壁或水槽底板(10)； 該位移計(jì)(29)安裝在位移計(jì)托架(30)上，利用位移計(jì)(29)對(duì)橋梁彈性模型(19)的頂部、3/4高度處、1/2高度處、1/4高度處、波面附近處的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。
【文檔編號(hào)】G01M5/00GK103969010SQ201310027558
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月24日
【發(fā)明者】劉高, 張喜剛, 劉天成, 陳上有, 王秀偉, 陳漢寶, 郭安薪, 劉海源 申請(qǐng)人:中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司