一种可调式千米级超高层建筑气弹模型及制作方法
【专利摘要】一种可调式千米级超高层建筑气弹模型及制作方法，它涉及一种千米级超高层建筑气弹模型及制作方法，具体涉及一种可调式千米级超高层建筑气弹模型及制作方法。本发明为了解决现有风洞试验中无法连续调节模型动力特性的问题。本发明包括模型底座板、多个刚性平台板、多个套筒单元和若干个不锈钢丝杆，多个刚性平台板由上至下依次设置在模型底座板的上方，底部刚性平台板与模型底座板之间设有一个依据结构外形设计的模型外衣板。本发明属于土木工程抗风技术领域。
【专利说明】
一种可调式千米级超高层建筑气弹模型及制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种千米级超高层建筑气弹模型及制作方法，具体涉及一种可调式千米级超高层建筑气弹模型及制作方法，属于土木工程抗风技术领域。
【背景技术】
[0002]进入二十一世纪，随着高强轻质材料的广泛应用、新型结构体系的出现和先进建造技术的发展，各国纷纷提出要建造“世界最高”的超高层建筑。目前世界最高建筑为160层、828m高的哈利法塔，而建造一栋千米级超高层建筑已经成为今后国际建筑发展的一个必然趋势。一般而言，此类建筑高宽比大、刚度和阻尼比小，属于风敏感性结构，风荷载往往成为其结构设计的控制性因素。为准确确定其设计风荷载并评价其抗风性能，应对其进行气弹模型试验研究，直接测量结构的风致响应。
[0003]然而就目前而言，还没有提出针对多塔连接体超高层建筑的气弹模型设计方法，故无法对结构的气动弹性效应进行深入研究。此外，由于现有的气弹模型设计方法未能很好地处理芯棒连接问题，导致所设计的模型无法真正实现刚度或频率的连续可调性，致使许多重要的相似比无法得到精确满足。为准确研究多塔连体超高层建筑的气弹效应，需要提出一种能够模拟其气动外形和结构动力特性的气弹模型设计方法，且所制作的模型能够实现刚度、阻尼、质量等参数可调。
【发明内容】
[0004]本发明为解决现有风洞试验中无法连续调节模型动力特性的问题，进而提出一种可调式千米级超高层建筑气弹模型及制作方法。
[0005]本发明为解决上述问题所采取的技术方案是:本发明所述模型包括模型底座板、多个刚性平台板、多个套筒单元和若干个不锈钢丝杆，多个刚性平台板由上至下依次设置在模型底座板的上方，底部刚性平台板与模型底座板之间设有一个依据结构外形设计的模型外衣板，外衣板内通过若干根由上至下贯通地不锈钢丝杆，通过不锈钢丝杆可将模型的上部结构固定于模型底座板上;除底层外的相邻两个刚性平台板之间均布设有三个所述套筒单元，每个所述套筒单元内均有两根由上至下贯通地不锈钢丝杆，相邻两个刚性平台板的中部之间设有圆柱形套筒，每个所述圆柱形套筒内均有一根由上至下贯通地不锈钢丝杆。
[0006]本发明所述制作方法的具体步骤如下:
[0007]步骤一、将七根不锈钢丝杆的底部与底部螺母焊接在一起，并将底部螺母嵌入模型底座板的第一滑槽内；
[0008]步骤二、将模型底座固定于风洞转盘上；
[0009 ]步骤三、拧入7个固定螺母至模型底座板上表面，顶紧，用以固定不锈钢丝杆；
[0010]步骤四、安装7个定位螺母，将粘结有底层外衣板的第一层刚性平台板放置于定位螺母上，找平；
[0011]步骤五、分别拧入7个固定螺母至刚性平台板，顶紧；
[0012]步骤六、安装7个定位螺母，将第二层刚性平台板及相应上节套筒放至定位螺母上，找平；
[0013]步骤七、分别拧入7个固定螺母至刚性平台板，顶紧；
[0014]步骤八、重复步骤六至步骤七直至安装完第十层刚性平台板；
[0015]步骤九、初步调节质量、刚度、阻尼等结构特性，并进行测量；
[0016]步骤十、利用木材弹性，将下节套筒跨过丝杆，并用螺丝固定于刚性平台板相应位置处;安装4个顶层套筒外衣板；
[0017]步骤^^一、测量结构动力特性；
[0018]步骤十二、若模型相似比不满足要求，则拆除每层下节套筒及顶层套筒，松开位于刚性平台板上表面的固定螺母，重复步骤九至步骤十一。
[0019]本发明的有益效果是:本发明由于模型内部空间由下而上是贯通的，所以可将加速度计置于结构内部，从而排除了测量仪器对流场的干扰，提高了测量结果的精度。所述模型底座板是由三层依照实际结构底部外形轮廓制成的木板粘结而成;底层板为无开孔实心木板；中间层板的中心位置及周边环向间距为120°的3个合适位置处分别开有圆孔及3条尺寸适宜的滑槽，圆孔或滑槽应与丝杆底部螺母相匹配，并允许底部螺母在滑槽内来回滑动；上层板同样开有滑槽与圆孔，但滑槽宽度与圆孔直径略小于底部螺母尺寸，仅允许丝杆来回滑动;通过这种设计使丝杆底部嵌入底座板内，不仅保证了丝杆的水平同步滑动，更可使模型在高风速试验时不被拔出，保证了试验的安全性。本发明的刚性平台板中心开有圆孔，位于中心的丝杆可从孔中穿过，刚性平台板周边环向间距120°的3个合适位置处各开有I条尺寸适宜的滑槽，每条滑槽中穿过2根丝杆，7根丝杆通过各高度处刚性平台的连接可以达到整体受力、协同工作的效果，而丝杆可在滑槽中来回滑动以调节模型刚度。除顶层刚性平台以上与第一层刚性平台以下的外衣板部分外，将每两层刚性平台间的套筒等长度的分为上节套筒和下节套筒，套筒均为薄木材围成的空心筒，丝杆可无阻碍穿过;每层上节套筒包括中间I节圆形筒及周边3节椭圆形筒，为拼装方便，将每层的上节套筒用高粘性胶粘接到该层相应位置处的刚性平台上，从而形成一个拼装单元，共同拼装;每层下节套筒包括中间I节圆形筒及周边3节椭圆形筒，其中，3节椭圆形筒底部均连有一个开有4个螺丝孔的环状尾部，与此相对应的刚性平台板上则设有开有同样螺丝孔的环状凹陷区域，拼装时，螺杆可依次穿过上下两个孔、将下节套筒固定于刚性平台板上，拼装完成后，刚性平台表面成为一平整表面。为拼装方便，下节套筒的椭圆形筒及其环状尾部在靠近中间圆形筒的端部处均开有一条细缝，拼装时可利用木材自身弹性将细缝扩大，从而使之顺利跨过丝杆，然后固定于刚性平台板上，此举克服了每次调节丝杆位置时都要重新拆装整个模型的弊端，极大地提高了拼装效率，这也是本发明的重要创新之处;上、下两节套筒拼装完成后，中间会留有Imm宽的缝隙，用于避免外衣板对结构整体刚度的贡献;本发明的海绵块塞入椭圆形筒内两根丝杆间的空隙中以达到摩擦耗能、调节阻尼的效果。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的主视图，图2是图1的俯视图，图3是本发明的整体结构示意图，图4是模型底座板的构造详图，图5是本发明典型层的构造详图，图6是套筒单元的结构示意图，图7是下节圆套筒的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021 ]【具体实施方式】一:结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型包括模型底座板1、多个刚性平台板4、多个套筒单元和若干个不锈钢丝杆3，多个刚性平台板4由上至下依次设置在模型底座板I的上方，底部刚性平台板4与模型底座板I之间设有一个依据结构外形设计的模型外衣板，外衣板内通过若干根由上至下贯通地不锈钢丝杆3，通过丝杆可将模型的上部结构固定于模型底座板上;除底层外的相邻两个刚性平台板4之间均布设有三个所述套筒单元，每个所述套筒单元内均有两根由上至下贯通地不锈钢丝杆3，此外，相邻两个刚性平台板4的中部之间设有圆柱形套筒，每个所述圆柱形套筒内均有一根由上至下贯通地不锈钢丝杆3，丝杆竖直贯通于模型的各个高度处。
[0022]本实施方式中气弹模型中间圆形筒内装有I根丝杆3，周边3个椭圆形筒内各装有2根丝杆3;所有7根丝杆的底部螺母13均嵌入模型底座板I内，并依据结构实际外形通过10个刚性平台板连成一个整体骨架共同受力、模拟结构的抗侧刚度;为使结构的水平刚度和扭转刚度可调，周边的6根丝杆3可在刚性平台板4的滑槽6及模型底座板I的滑槽2中连续滑动;除顶部外衣板套筒外，其余36个可拆卸下节套筒11高度均为相邻两层刚性平台板4层间距离的一半减去0.5mm，安装时，用螺丝等工具固定于相应刚性平台板4的上部;质量块可粘结于刚性平台合适位置处，用以调整结构质量;此外，由于模型内部空间由下而上是贯通的，所以布置加速度计时，可将其置于结构内部，从而排除了风洞试验过程中测量仪器对外部流场的干扰，提高了测量精度。
[0023]【具体实施方式】二:结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型的每个所述套筒单元包括上节套筒10、下节套筒11和环状尾部12，每个下节套筒11的尾部端均设有环状尾部12，上节套筒10、下节套筒11由上至下依次连接，上节套筒10的上端与刚性平台板14的下表面粘接，环状尾部12设置在刚性平台板4上表面的凹陷区域5内，凹陷区域5内开有多个用于与环状尾部12连接的螺丝孔18。
[0024]本实施方式的技术效果是:如此设置，上节套筒10和下节套筒11组成了模型的外衣板，下节套筒11是由薄木材围成的空心筒，不锈钢丝杆3可无阻碍穿过;每层的下节套筒11包括中间一节圆形筒及周边三节椭圆形筒，其中，三节椭圆形筒底部连有一个环状尾部12，二者构成一个整体;椭圆形筒及其环状尾部12在靠近中间圆形筒的端部处均开有一条细缝17，拼装时可利用木材自身弹性将细缝17扩大，从而使之顺利跨过不锈钢丝杆3，然后固定于刚性平台板4上，从而克服了每次调节不锈钢丝杆3位置时都要重新拆装整个模型的弊端，极大地提高了拼装效率;下节套筒环状尾部12等间距的开有4个螺丝孔18，孔的位置与刚性平台板4开孔位置7相对应，螺杆可依次穿过上下两个孔、将下节套筒11固定于刚性平台板4上;上节套筒10与下节套筒11拼装完成后，中间会留有Imm宽的缝隙19，用于避免外衣板对结构整体刚度的贡献。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0025]【具体实施方式】三:结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型的模型底座板I均布开有三个第一滑槽2及位于中间的一个圆孔20，每个刚性平台板4延厚度方向贯通开有三个均布设置的第二滑槽6及位于中间的一个圆孔20，7根不锈钢丝杆通过圆孔及滑槽将模型底座板I与所有刚性平台板4连为一个整体。每根不锈钢丝杆3的底部焊有一底部螺母13，通过嵌入式连接将其埋入模型底座板I，不锈钢丝杆3与模型底座板I的相对位置通过底座板I上表面的固定螺母10确定;其余各个刚性平台板沿丝杆高度的位置由定位螺母9确定，位置确定后，每层再用7个固定螺母将刚性平台板固定。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0026]【具体实施方式】四:结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型的上节套筒10与下节套筒11之间留有缝隙19，每个下节套筒11的尾部均设有细缝17。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0027]【具体实施方式】五:结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型的模型底座板I由上层板14、中层板15、下层板16由上至下依次叠加制成。
[0028]本实施方式的技术效果是:如此设置，上层板14、中层板15、下层板16均是由木材制作的板体，并且依次粘接而成。其它组成及连接关系与具体方式一相同。
[0029]【具体实施方式】六:结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型的制作方法是通过如下步骤实现的:
[0030]步骤一、将七根不锈钢丝杆3的底部与底部螺母13焊接在一起，并将底部螺母13嵌入模型底座板I的第一滑槽2内；
[0031]步骤二、将模型底座I固定于风洞转盘上；
[0032 ]步骤三、拧入7个固定螺母8至模型底座板上表面，顶紧，用以固定不锈钢丝杆；
[0033]步骤四、安装7个定位螺母9，将粘结有底层外衣板的第一层刚性平台板4放置于定位螺母9上，找平；
[0034]步骤五、分别拧入7个固定螺母8至刚性平台板4，顶紧；
[0035]步骤六、安装7个定位螺母9，将第二层刚性平台板4及相应上节套筒10放至定位螺母9上，找平；
[0036]步骤七、分别拧入7个固定螺母8至刚性平台板4，顶紧；
[0037]步骤八、重复步骤六至步骤七直至安装完第十层刚性平台板4;
[0038]步骤九、初步调节质量、刚度、阻尼等结构特性，并进行测量；
[0039]步骤十、利用木材弹性，将下节套筒11跨过丝杆，并用螺丝固定于刚性平台板4相应位置处;安装4个顶层套筒外衣板；
[0040]步骤^^一、测量结构动力特性；
[0041]步骤十二、若模型相似比不满足要求，则拆除每层下节套筒11及顶层套筒，松开位于刚性平台板4上表面的固定螺母8，重复步骤九至步骤十一。
【主权项】
1.一种可调式千米级超高层建筑气弹模型，其特征在于:所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型包括模型底座板(I)、多个刚性平台板(4)、多个套筒单元和若干个不锈钢丝杆(3)，多个刚性平台板(4)由上至下依次设置在模型底座板(I)的上方，底部刚性平台板(4)与模型底座板(I)之间设有一个依据结构外形设计的模型外衣板，外衣板内通过若干根由上至下贯通地不锈钢丝杆(3)，通过丝杆可将模型的上部结构固定于模型底座板上;除底层外的相邻两个刚性平台板(4)之间均布设有三个所述套筒单元，每个所述套筒单元内均有两根由上至下贯通地不锈钢丝杆(3)，相邻两个刚性平台板(4)的中部之间设有圆柱形套筒，每个所述圆柱形套筒内均有一根由上至下贯通地不锈钢丝杆(3)，丝杆竖直贯通于模型的各个高度处。2.根据权利要求1所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型，其特征在于:每个所述套筒单元包括上节套筒(10)、下节套筒(11)和环状尾部(12)，每个下节套筒(11)的尾部端均设有环状尾部(12)，上节套筒(10)、下节套筒(11)由上至下依次连接，上节套筒(10)的上端与刚性平台板(14)的下表面粘接，环状尾部(12)设置在刚性平台板(4)上表面的凹陷区域(5)内，凹陷区域(5)内开有多个用于与环状尾部(12)连接的螺丝孔(18)。3.根据权利要求1所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型，其特征在于:模型底座板(I)均布开有三个第一滑槽(2)及位于中间的一个圆孔(20)，每个刚性平台板(4)延厚度方向贯通开有三个均布设置的第二滑槽(6)及位于中间的一个圆孔(20)，(7)根不锈钢丝杆通过圆孔及滑槽将模型底座板(I)与所有刚性平台板(4)连为一个整体。每根不锈钢丝杆(3)的底部焊有一底部螺母(13)，通过嵌入式连接将其埋入模型底座板(I)，不锈钢丝杆(3)与模型底座板(I)的相对位置通过底座板(I)上表面的固定螺母(10)确定;其余各个刚性平台板沿丝杆高度的位置由定位螺母(9)确定，位置确定后，每层再用7个固定螺母将刚性平台板固定。4.根据权利要求1所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型，其特征在于:上节套筒(10)与下节套筒(11)之间留有缝隙(19)，每个下节套筒(11)的尾部均设有细缝(17)。5.根据权利要求1所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型，其特征在于:模型底座板(I)由上层板(14)、中层板(15)、下层板(16)由上至下依次叠加制成。6.一种权利要求1所述可调式千米级超高层建筑气弹模型的制作方法，其特征在于:所述一种可调式千米级超高层建筑气弹模型的制作方法是通过如下步骤实现的: 步骤一、将七根不锈钢丝杆(3)的底部与底部螺母(13)焊接在一起，并将底部螺母(13)嵌入模型底座板(I)的第一滑槽(2)内； 步骤二、将模型底座(I)固定于风洞转盘上； 步骤三、拧入7个固定螺母(8)至模型底座板上表面，顶紧，用以固定不锈钢丝杆； 步骤四、安装7个定位螺母(9)，将粘结有底层外衣板的第一层刚性平台板(4)放置于定位螺母(9)上，找平； 步骤五、分别拧入7个固定螺母(8)至刚性平台板(4)，顶紧； 步骤六、安装7个定位螺母(9)，将第二层刚性平台板(4)及相应上节套筒(10)放至定位螺母(9)上，找平； 步骤七、分别拧入7个固定螺母(8)至刚性平台板(4)，顶紧； 步骤八、重复步骤六至步骤七直至安装完第十层刚性平台板(4); 步骤九、初步调节质量、刚度、阻尼等结构特性，并进行测量； 步骤十、利用木材弹性，将下节套筒(11)跨过丝杆，并用螺丝固定于刚性平台板(4)相应位置处;安装4个顶层套筒外衣板； 步骤十一、测量结构动力特性； 步骤十二、若模型相似比不满足要求，则拆除每层下节套筒(11)及顶层套筒，松开位于刚性平台板(4)上表面的固定螺母(8)，重复步骤九至步骤十一。
【文档编号】G01M9/08GK105890868SQ201510907454
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年12月9日
【发明人】武岳, 刘昭, 郑朝荣, 史新东, 苏宁
【申请人】哈尔滨工业大学