测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验方法与流程

本发明涉及一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验方法，属于悬索管道桥在紊流风场中的气动力特性研究领域。

背景技术：

悬索管道桥相比于公路悬索桥其主梁截面较窄，对风荷载的作用非常敏感。目前在悬索管道桥的抗风特性研究中，关于其静力特性的研究较多，而对于其动力特性的研究相对较少。悬索管道桥在风荷载作用下的动力作用主要有颤振、驰振、抖振和涡激振动等。其中，抖振主要由风速中的脉动成分引起。当前国内外的研究中多以均匀流作用下桥梁的受力特性为主，而实际在自然界中，桥梁所受到的风均是含有脉动成分的紊流风。因此，对悬索管道桥在紊流风作用下进行受力分析很有必要。

通常进行桥梁气动力试验研究时，需要设置一个刚度非常大的固定支架用来固定模型和测力天平。固定支架多架设在模型下方，由于要保证固定支架的刚度，通常固定支架的尺寸都设计的较大，这样会严重影响到模型下部的气流状态，从而导致试验结果不能反应真实情况。

技术实现要素：

为了解决这一问题，本发明的目的在于提供一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验方法。本发明根据悬索管道桥的结构特点，其主梁断面中，管道占据了相当大的比重，管道内部中空，可以利用这部分空间来设置固定支架使得支架包裹在管道内部而不会改变管道桥在风场中的绕流特性。从而使得试验结果更加符合管道桥在紊流风场中的真实受力情况。本发明适用于悬索管道桥在风洞中的气动力相关性试验，为悬索管道桥的抗风设计提供有力的试验技术支撑。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，制作若干个相同的管道桥节段模型，并沿每个管道桥节段模型的管道部分的中轴线将所述管道桥节段模型切分为模型上部分和模型下部分，沿每个模型下部分管道壁内的中心位置设置找平垫块；

步骤2，制作用于在风洞中固定所述管道桥节段模型的固定支架，所述固定支架包括一个横梁和位于横梁两端的立柱，所述立柱的顶端连接所述横梁，所述立柱的底端固定在地面上；

步骤3，将两个测力天平上下分别固定上垫片A和下垫片A；

步骤4，制作用于连接管道桥节段模型和固定支架的若干个固定垫块；

步骤5，将固定有上垫片A和下垫片A的测力天平与其中两个模型下部分内的找平垫片固定在一起，再将固定垫块与其余模型下部分内的找平垫片固定在一起；

步骤6，将固定有测力天平和固定垫块的若干个管道桥节段模型与固定支架沿横梁的长度方向依次连接，其中，所述固定支架的横梁穿过依次连接的若干个管道桥节段模型的管道部分内部；

步骤7，在风洞中设置紊流风场，在紊流风场中设置两个风速仪，所述两个风速仪以不同间距分别测定紊流风场的特性；

步骤8，将固定在固定支架上的管道桥节段模型放置于风洞中，根据试验工况变换两个固定有测力天平的管道桥节段模型的位置，分别测定所述管道桥节段模型的气动力，其中两个固定有测力天平的管道桥节段模型的相对位置为试验工况的变化参数，并根据试验结果分析得出紊流风场以及气动力的相关性。

进一步的，所述固定垫块包括上垫片B、下垫片B和上垫片B与下垫片B之间的连接块，所述上垫片B和下垫片B分别与所述上垫片A和下垫片A的大小一致，每个连接块的高度一致，且每个连接块的高度与测力天平的高度一致。

进一步的，所述上垫片A和上垫片B分别与固定支架的横梁固定连接；所述下垫片A和下垫片B分别与找平垫块固定连接。

进一步的，所述横梁上设有若干个螺纹孔，每四个螺纹孔为一组，呈四角布置；相邻两组螺纹孔的间距固定，且间距等于或略大于一个管道桥节段模型的长度。

进一步的，所述找平垫块、上垫片A、下垫片A、上垫片B和下垫片B的横截面为正方形或矩形，且其四角分别设有螺纹孔；所述上垫片A或上垫片B的螺纹孔与所述横梁的每一组螺纹孔均相对应，所述下垫片A或下垫片B的螺纹孔与所述找平垫块的螺纹孔相对应；另外，所述上垫片A和下垫片A的中心处分别设有三个螺纹孔，用于固定所述测力天平。

进一步的，所述模型上部分和模型下部分之间为可开合的。

进一步的，所述固定支架的横梁两端分别设有两个立柱，所述立柱的底端分别设有底板，所述底板设于地面上，用于固定所述固定支架；且所述横梁与立柱之间由螺丝固定，以调节角度改变风攻角。

进一步的，所述找平垫块由塑料粉末经3D打印而成，粘合在模型下部分管道壁内的中心位置，且粘合后找平垫块保持水平。

进一步的，所述上垫片A、下垫片A、上垫片B、下垫片B和连接块均由钢材加工而成，且所述上垫片B、下垫片B和连接块通过焊接固定在一起。

进一步的，步骤7中两个风速仪之间的间距由小到大分多个级别分别测定紊流风场的特性。

本发明提供了一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验方法。将固定支架上的横梁设置在悬索管道桥节段模型的管道之内，避免了固定支架对悬索管道桥绕流特性的影响，使得悬索管道桥在风场中气动力相关性的模拟精度得到了极大的提高，是悬索管道桥风洞试验技术的一次提升。本发明通过设置固定垫块、连接垫片和找平垫块等将固定支架的横梁固定在悬索管道桥节段模型的管道之内，使得试验得出的悬索管道桥的气动力相关性更加符合真实的情况，为悬索管道桥的工程设计提供有力的支撑。另外，本发明中各垫块和垫片的设置以及连接比较简单，便于试验操作，能够取得较好的效果。

附图说明

图1为实施例中所述测定单层悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验装置结构示意图；

图2为本发明所述固定支架的结构示意图；

图3为本发明所述固定支架的横梁的横截面局部结构示意图；

图4实施例中单层悬索管道桥节段模型的模型下部分内安装有找平垫块的结构示意图；

图5A为所述上垫片B或下垫片B的横截面结构示意图；

图5B为所述上垫片A或下垫片A的横截面结构示意图；

图5C为所述固定垫块的纵截面结构示意图；

图5D为所述安装有上垫片A和下垫片A的测力天平纵截面结构示意图；

图6为所述测试紊流风场特性的风速仪的结构示意图；

图7A为实施例试验得出的紊流风场的相关系数；

图7B为实施例试验得出的紊流风场的相干函数；

图8A为实施例试验得出的悬索管道桥气动力相关系数；

图8B为实施例试验得出的悬索管道桥气动力相干函数；

图9为实施例中单层悬索管道桥的断面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，根据试验要求，选取1:15的缩尺比，制作12个相同的单层悬索管道桥节段模型，所述单层悬索管道桥节段模型包括管道部分和桥部分，每个单层悬索管道桥节段模型的跨向长度为167mm，顺风向长度为240mm，高97.1mm。如图4所示，沿每个管道桥节段模型的管道部分的中轴线将所述单层悬索管道桥节段模型切分为模型上部分和模型下部分，所述模型上部分4和模型下部分5之间为可开合的。所述找平垫块由塑料粉末经3D打印而成，将找平垫块四角钻取用于固定的四个螺纹孔，并将找平垫块粘合在每个模型下部分管道壁内的中心位置，且保证粘合后找平垫块保持水平。

步骤2，制作用于在风洞中固定所述管道桥节段模型的固定支架，如图2所示，所述固定支架包括一个横梁和位于横梁两端的立柱，所述立柱的顶端连接所述横梁，所述立柱的底端固定在地面上。如图3所示，在横梁上钻取螺纹孔，每四个螺纹孔为一组，呈四角布置，相邻两组螺纹孔的间距为170mm。优选的，所述固定支架的横梁两端分别设有两个立柱，所述立柱的底端分别设有底板，所述底板设于地面上，用于固定所述固定支架。且所述横梁与立柱之间由螺丝固定，以调节角度改变风攻角。

步骤3，如图5D所示，将两个测力天平上下分别固定上垫片A和下垫片A。如图5B所示，上垫片A和下垫片A的横截面为正方形或矩形，且其四角分别设有螺纹孔，所述上垫片A的螺纹孔与横梁的每一组螺纹孔均相对应，所述下垫片A螺纹孔与所述找平垫块的螺纹孔相对应。另外，所述上垫片A和下垫片A的中心处分别钻取三个螺纹孔，用于固定所述测力天平。

步骤4，制作用于连接管道桥节段模型和固定支架的10个固定垫块。如图5C所示，所述固定垫块包括上垫片B、下垫片B和上垫片B与下垫片B之间的连接块，所述上垫片A、下垫片A、上垫片B、下垫片B和连接块均由钢材加工而成，且所述上垫片B、下垫片B和连接块通过焊接固定在一起。所述上垫片B和下垫片B分别与所述上垫片A和下垫片A的大小一致，每个连接块的高度一致，且每个连接块的高度与测力天平的高度一致。如图5A所示，上垫片B和下垫片B的横截面为正方形或矩形，且其四角分别设有螺纹孔，所述上垫片B的螺纹孔与横梁的每一组螺纹孔均相对应，所述下垫片B螺纹孔与所述找平垫块的螺纹孔相对应。

步骤5，将固定有上垫片A和下垫片A的测力天平与其中两个模型下部分内的找平垫片固定在一起，再将固定垫块与其余10个模型下部分内的找平垫片固定在一起。

步骤6，将固定有测力天平和固定垫块的管道桥节段模型与固定支架沿横梁的长度方向依次连接，其中，所述固定支架的横梁穿过依次连接的若干个管道桥节段模型的管道部分内部；安装有测力天平的两个管道桥节段模型与其余安装有固定垫块的管道桥节段模型的位置关系依据试验工况布置。

步骤7，在风洞中设置紊流风场，在紊流风场中设置两个风速仪，所述两个风速仪以不同间距分别测定紊流风场的特性；两个风速仪的间距分为100mm，200mm，300mm，500mm，800mm，1000mm，1200mm，1500mm8个工况。

步骤8，将模型上部分和模型下部分粘合，并将固定在固定支架上的管道桥节段模型放置于风洞中，根据试验工况变换两个固定有测力天平的管道桥节段模型的位置，分别测定所述管道桥节段模型的气动力，其中两个固定有测力天平的管道桥节段模型的相对位置为试验工况的变化参数，测力天平所在的两个管道桥节段模型之间的间距分别为167mm，334mm，501mm，668mm以及835mm5种工况，并根据试验结果分析得出紊流风场以及气动力的相关性。最后得出紊流风场的相关系数和相干函数如图7A、7B所示，得出悬索管道桥气动力的相关系数和相干函数如图8A、8B所示。

其中，图7A中，横坐标Δy为试验中两个风速仪之间的跨向间距；图7B中，横坐标为无量纲化处理之后的频率；图8A中，横坐标r为试验中，两个测力天平之间的间距；图8B中，横坐标为无量纲化处理之后的频率。

图7A给出了风速的相关系数随跨向间距的变化曲线，从图中可以看出，本实例所建立的紊流风场的脉动风速相关性随着间距的增大而减小，且横向脉动分量的相关性较大，而纵向脉动分量的相关性较小。图7B给出了风速的相干函数随频率的变化曲线，从图中可以看出，在低频段，风速的相关性较大，而高频段风速的相关性较小。从图中同样可以看出横向脉动分量的相关性要大于纵向和竖向的脉动分量。图8A给出了气动力的相关系数随测力天平间距的变化规律，从图中可以看出随着间距的增大，气动力的相关性逐渐减小。阻力的相关性最大而力矩的相关性最小。图8B给出了气动力的相干函数随频率的变化曲线，同样可以看出随着间距的增大，气动力的相关性减小。

本发明通过设置固定垫块、连接垫片和找平垫块等将固定支架的横梁固定在悬索管道桥节段模型的管道之内，使得试验得出的悬索管道桥的气动力相关性更加符合真实的情况，为悬索管道桥的工程设计提供有力的支撑。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。