一种缆索风雨激励作用模拟实验装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，包括矩形试验机架、试件、风荷载模拟系统、雨荷载模拟系统、模态捕捉系统和激励系统，所述试件的两端分别固定在矩形试验机架两侧的钢板墙上；所述风荷载模拟系统包括对称设置在试件两侧的电磁铁，所述电磁铁通过导线传输电流；所述雨荷载模拟系统设置在试件上方的矩形试验机架上，包括雨水生成装置；所述模态捕捉系统包括光源和光线感应屏，所述光源设置在试件一侧，沿其传播方向设置有光线感应屏；所述激励系统包括套环和激励器，所述套环的一端扣在试件上，另一端与激励器连接；本发明不仅能够调节风、雨等级，振动模态可捕捉，而且雨水可循环利用，环保效果好。
【专利说明】-种缆索风雨激励作用模拟实验装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及模拟结构性能实验装置领域，尤其是一种缆索风雨激励作用模拟实验 装直。
【背景技术】
[0002] 随着交通事业的迅速发展和越江跨海工程建设的需要，千米级的斜拉桥已经出 现。拉索是斜拉桥的关键构件，考虑到拉索的柔性、相对较小的质量及较低的阻尼，在风 雨作用下发生的所谓拉索风雨激振现象，往往引起拉索的大幅度振动，它是目前已知的拉 索振动形式中最强烈的一种，影响桥梁的安全运营和拉索的使用寿命。
[0003] 风雨振动是20世纪80年代才发现的一种斜拉索风致振动现象，指在一定风速范 围内，由于风、雨联合作用而引起的、处于一定姿态的斜拉索的大振幅振动。日本的Hikami 在名港西大桥上首先发现风雨激振现象；Aratsu桥在建造时就发生了强烈的拉索振动，观 测到的最大振幅为300mm ;2000年建成的南京长江二桥，在通车前就发生了强烈的风雨激 振，最大振幅超过500_，致使用来减振的拉索油阻尼器遭到了破坏。
[0004] 为了研究风雨激振机理，各国学者对其进行了大量的研究。现阶段风雨激振的研 究手段主要有现场观测、风洞试验和理论分析。现场观测是最早用于研究风雨激振的手段， 但是现场观测影响因素较多，为后处理分析带来了很大的困难。风洞试验成本较高，资源 少，不易开展。此外拉索风雨激振又是一个固、液、气三相耦合系统，难以准确建立其运动 微分方程。因此目前针对斜拉索的风雨激振研究尚缺乏一种有效的研究方式。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提供一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，不仅能 够调节风、雨等级，振动模态可捕捉，而且雨水可循环利用，环保效果好。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为： 一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，包括矩形试验机架、试件、风荷载模拟系统、雨 荷载模拟系统、模态捕捉系统和激励系统，所述试件的两端分别固定在矩形试验机架两侧 的钢板墙上；所述风荷载模拟系统包括对称设置在试件两侧的电磁铁，所述电磁铁通过导 线传输电流；所述雨荷载模拟系统设置在试件上方的矩形试验机架上，包括雨水生成装置， 所述雨水生成装置包括雨槽，所述雨槽一侧设有进雨孔，雨槽内设有多个雨孔，所述雨槽的 底部设置有多个雨量控制孔，其内设有雨量控制杆，用于控制雨孔内雨水量；所述模态捕捉 系统包括光源和光线感应屏，所述光源设置在试件一侧，沿其传播方向设置有光线感应屏； 所述激励系统包括套环和激励器，所述套环的一端扣在试件上，另一端与激励器连接，所述 激励器包括塑料纤维、拉力传感器、弹簧、垫片和挡片，所述套环的下端设置有塑料纤维，塑 料纤维、拉力传感器和弹簧依次连接，所述弹簧的底端与挡片相连，所述弹簧与挡片之间设 有垫片； 所述缆索风雨激励作用模拟实验装置还设有雨水循环系统，所述雨水循系统统包括雨 水收集槽、水泵和水箱，所述雨水收集槽设置在试件下方，与试件、雨水生成装置同轴设置； 所述雨水收集槽收集从雨水生成装置产生的雨水，通过出水管将水运输至水箱，水箱的一 侧设置有水泵，通过水泵将水箱内的水经过进水管再送至雨水生成装置； 所述试件的两端通过锚具分别固定在矩形试验机架两侧的钢板墙上； 设置在试件两侧的电磁铁通过支撑杆固定在矩形试验机架上； 弹簧与挡片之间通过螺栓固定有垫片。
[0007] 通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果： 风荷载模拟系统根据改变输入电流的大小模拟不同等级的风荷载；雨荷载模拟系统是 利用不同大小的水滴在重力作用下下降，下降过程中水滴与试件产生碰撞，使水滴的重力 势能部分转化为试件的动能，通过改变雨槽的有效雨孔面积来控制雨量的等级； 雨水循环系统是将雨水收集槽与雨槽建立联通关系，利用水泵调节水压，使雨水自动 从雨水收集槽中流向雨槽并最终又回到雨水收集槽，达到雨水的重复利用； 模态捕捉系统是通过在试件下部设置光源发射光信号，试件上部设置光线感应屏以接 收光信号，当光信号遇到试件时则不能被光线感应屏接收，最后光线感应屏上所有未接收 光信号的区域即为试件的模态，研究人员可将光线感应屏信号再次转化，转化为图像形象 的显示出来； 激励系统的是利用强度有限的塑料纤维材料突然断裂，并在断裂瞬间能量释放效应这 一原理，使试件产生初始振动； 整个实验过程，由所述激励系统施加初始激励，同时所述风荷载模拟系统、所述雨荷载 模拟系统模拟风雨共同作用使试件受力，并利用所述模态捕捉系统捕捉不同受力状态的振 动模态。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是本发明风雨激振作用模拟实验装置示意图。
[0009] 图2是本发明雨荷载|旲拟系统不意图，其中2 (a)为效果图，2 ( b)为俯视图，2 (c)为正视图。
[0010] 图3是激励器系统示意图。
[0011] 其中：1为雨水生成装置，2为矩形试验机架,3为水箱，4为水泵,5为进水管，6为 雨槽，7为出水管，，8为支撑杆,9为电磁铁,10为导线，11为钢板墙，12为试件,13为激励 器，14为锚具，15为光源，16为光线感应屏，la为雨水收集槽，lb为雨量控制孔，lc为雨量 控制杆，Id为雨孔，le为进雨孔，13a为套环，13b为塑料纤维，13c为拉力传感器，13d为弹 簧，13e为螺栓，13f为垫片，13g为挡片。
【具体实施方式】
[0012] 附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图 详细地说明本发明的技术方案。
[0013] 图1所示，一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，包括矩形试验机架2、试件12、风 荷载模拟系统、雨荷载模拟系统、模态捕捉系统和激励系统，试件12的两端分别固定在矩 形试验机架2两侧的钢板墙11上；试件12的两端通过锚具14分别固定在矩形试验机架2 两侧的钢板墙11上。
[0014] 风荷载模拟系统：包括对称设置在试件12两侧的电磁铁9,通过支撑杆8固定，在 两磁铁间产生磁场，使试件12在磁场中受力；电磁铁9通过导线10传输电流，通过控制电 流的输入大小调整磁场强度，使试件12不同程度受力，从而达到风荷载等级调节的目的。 风荷载风分6个等级，分别为：0级风、1级风、2级风、3级风、4级风以及5级风，其中"0"级 风代表此时没有风荷载，即电磁铁9两端电流为0。
[0015] 雨荷载模拟系统：图2所示，其中2 (a)为效果图，2 (b)为俯视图，2 (c)为正视 图。设置在试件12上方的矩形试验机架2上，包括雨水生成装置1，雨水生成装置1包括雨 槽6,雨槽6 -侧设有进雨孔le，雨槽6内设有多个雨孔ld，雨槽6的底部设置有多个雨量 控制孔lb，其内设有雨量控制杆lc，用于控制雨孔Id内雨水量；水通过进雨孔le进入雨水 收集槽la，再由雨孔Id流下，雨量大小通过雨量控制孔lb中不同直径的雨量控制杆lc控 制。其原理是改变雨槽6底部雨孔Id的有效面积，使雨滴大小发生变化，从而达到模拟不 同等级雨荷载的目的，雨荷载分为6个等级，分别为0级雨，1级雨、2级雨、3级雨、4级雨以 及5级雨，其中"0"级雨代表此时没有雨荷载，即雨孔Id有效面积为0。
[0016] 雨水循环系统，所述雨水循系统统包括雨水收集槽la、水泵4和水箱3,所述雨水 收集槽la设置在试件12下方，与试件12、雨水生成装置1同轴设置；所述雨水收集槽la收 集从雨水生成装置1产生的雨水，通过出水管7将水运输至水箱3,水箱3的一侧设置有水 泵4,通过水泵4将水箱3内的水经过进水管5再送至雨水生成装置。
[0017] 模态捕捉系统：包括光源15和光线感应屏16,光源15设置在试件12-侧，沿其传 播方向设置有光线感应屏16 ;光信号从光源15发出，并由光线感应屏16接收，但如果光信 号遇到试件12则不能达到光线感应屏16,使光线感应屏16产生盲区，集合光线感应屏16 所有未接受到光信号的区域，即为该试件12在风雨荷载作用下的振动模态。
[0018] 激励系统：图3所示，包括套环13a和激励器13,所述套环13a的一端扣在试件12 上，另一端与激励器13连接，所述激励器13包括塑料纤维13b、拉力传感器13c、弹簧13d、 垫片13f和挡片13g，所述套环13a的下端设置有塑料纤维13b，塑料纤维13b、拉力传感器 13c和弹簧13d依次连接，所述弹簧13d的底端与挡片13g相连，所述弹簧13d与挡片13g 之间设有垫片13f ;套环13a的作用是使试件12与激励器13连接，套环13a下端设置具有 一定强度的塑料纤维13b，塑料纤维13b的另一端与弹簧13d连接，并在弹簧13d设置一拉 力传感器13c，以控制弹簧13d的拉力。弹簧13d下端与档片相连，可以在沿弹簧13d长度 方向自由伸长，但由于受到垫片13f的阻碍使弹簧13d不能自由缩短。研究人员可在实验 开始前，给弹簧13d-预拉力作用，当需要激励时，连续拉伸弹簧13d底部的档片，增大塑料 纤维13b所受的拉力作用，最后使塑料纤维13b断裂，即完成激励的施加。因此激励器13 装置的原理是通过改变弹簧13d的长度，以增大塑料纤维13b的预拉力，由于塑料纤维13b 的强度有限，当受力达到一定程度时，塑料纤维13b会发生断裂，一方面断裂后弹簧13d迅 速收缩不会影响试件12的受力，另一方面在断裂的瞬间试件12产生振动以达到初始激励 施加的目的。
【权利要求】
1. 一种缆索风雨激励作用模拟实验装置，包括矩形试验机架、试件、风荷载模拟系统、 雨荷载模拟系统、模态捕捉系统和激励系统，其特征在于：所述试件的两端分别固定在矩 形试验机架两侧的钢板墙上；所述风荷载模拟系统包括对称设置在试件两侧的电磁铁，所 述电磁铁通过导线传输电流；所述雨荷载模拟系统设置在试件上方的矩形试验机架上，包 括雨水生成装置，所述雨水生成装置包括雨槽，所述雨槽一侧设有进雨孔，雨槽内设有多个 雨孔，所述雨槽的底部设置有多个雨量控制孔，其内设有雨量控制杆，用于控制雨孔内雨水 量；所述模态捕捉系统包括光源和光线感应屏，所述光源设置在试件一侧，沿其传播方向设 置有光线感应屏；所述激励系统包括套环和激励器，所述套环的一端扣在试件上，另一端与 激励器连接，所述激励器包括塑料纤维、拉力传感器、弹簧、垫片和挡片，所述套环的下端设 置有塑料纤维，塑料纤维、拉力传感器和弹簧依次连接，所述弹簧的底端与挡片相连，所述 弹簧与挡片之间设有垫片。
2. 根据权利要求1所述的缆索风雨激励作用模拟实验装置，其特征在于：所述缆索风 雨激励作用模拟实验装置还设有雨水循环系统，所述雨水循系统统包括雨水收集槽、水泵 和水箱，所述雨水收集槽设置在试件下方，与试件、雨水生成装置同轴设置；所述雨水收集 槽收集从雨水生成装置产生的雨水，通过出水管将水运输至水箱，水箱的一侧设置有水泵， 通过水泵将水箱内的水经过进水管再送至雨水生成装置。
3. 根据权利要求2所述的缆索风雨激励作用模拟实验装置，其特征在于：所述试件的 两端通过锚具分别固定在矩形试验机架两侧的钢板墙上。
4. 根据权利要求3所述的缆索风雨激励作用模拟实验装置，其特征在于：设置在试件 两侧的电磁铁通过支撑杆固定在矩形试验机架上。
5. 根据权利要求4所述的缆索风雨激励作用模拟实验装置，其特征在于：弹簧与挡片 之间通过螺栓固定有垫片。
【文档编号】G01H9/00GK104050860SQ201410230020
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】傅中秋, 吉伯海, 朱伟 申请人:河海大学