[发明专利]自然风场中超长斜拉索气弹模型风致振动试验装置

说明书

本发明提供了自然风场中超长斜拉索气弹模型风致振动试验装置。利用本装置可在良好的自然风场中开展超长斜拉索气弹模型风致振动试验，相比于传统风洞试验方法，装置不需要占用风洞及昂贵的试验设备，能耗低，试验成本低，而且模型尺寸不受风洞尺寸限制，因此可实现超大比例斜拉索气弹模型试验，试验精度可以大幅提升。相比于实桥现场试验，本装置方便改变拉索长度、质量、倾角、风偏角、索力、刚度、阻尼等参数，因此更便于开展全面系统的研究，且便于获得斜拉索风致内力及大幅振动时程。

技术领域

本发明属于桥梁抗风设计中斜拉桥拉索风致振动试验研究技术领域，涉及一种自然风场中超长斜拉索气弹模型风致振动试验装置。

背景技术

斜拉索是斜拉桥的关键承力构件，随着斜拉桥跨径的不断增大，其柔度增大，阻尼减小，在风荷载、风雨共同作用下可能发生大幅振动。斜拉索常见的风致振动主要包括涡激振动、驰振和风雨激振。斜拉索的风致大幅振动容易引起拉索锚固处的疲劳，影响其使用性能和桥梁行车舒适性。因此，斜拉索风致振动是一个亟待解决的问题，需要严格控制。以往斜拉索风致振动以及风雨激振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，由于受限于其尺寸，斜拉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。实际桥梁现场实测虽然可以获得拉索风致振动及风雨激振最实际的特征，但实桥不便开展不同参数(长度、质量、阻尼比、倾角、风向角等)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斜拉索风致振动面临的不足，提出在自然风场中开展超长斜拉索气弹模型风致振动试验装置，具有其相对优势和特色。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对斜拉桥斜拉索风致振动和风雨激振研究的需要，提供一种可以弥补目前风洞试验方法及实桥观测方法面临的不足，在良好的自然风场中开展不同工况条件下超长斜拉索气弹模型风致振动的试验装置。该装置主要包括刚性高强塔柱、塔柱套环、套环支架、斜拉索、索力计、张拉千斤顶和地面锚碇。另外，可以根据试验条件和需求，增设加速度传感器或高速摄像机等仪器设备采集。

本发明的技术方案：

自然风场中超长斜拉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。试验装置包括刚性塔柱1、塔柱套环2、套环支架3、斜拉索模型4、索力计5、张拉千斤顶6、地面锚碇7，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。刚性立柱1嵌固于地基，保证足够高度、强度及刚度；塔柱套环2套在刚性塔柱1顶部，与顶端保留几十厘米距离，并且有足够强度的套环支架3支撑塔柱套环2在承受斜向拉力作用下保证不会沿刚性立柱1下滑；斜拉索模型4上端与套环2套接，下端连接索力计5；索力计5与张拉千斤顶6串联后，与地面锚碇7固接。塔柱套环2可以绕刚性塔柱1自由滑动，这样可以便于调整斜拉索模型4上端的平面位置，从而方便(无需工作人员爬高到塔顶专门处理)调整斜拉索模型4的空间姿态。单根斜拉索模型4张拉受力会对刚性塔柱1造成附加弯矩，刚性塔柱1越高，斜拉索模型4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斜拉索、索力计、千斤顶及锚碇，而且可以同时完成两组试验，便于对比分析。不同试验条件下，拉索风致振动信号可以采用加速度传感器或高速摄像机等仪器设备采集，拉索索力时程可以通过索力计采集。通过张拉千斤顶6可以调整斜拉索模型4的张拉力，进而改变模型张拉刚度及振动频率。根据气象预报，可以预先调整斜拉索4的空间姿态，即改变斜拉索4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。