本发明涉及一种可以实现桥梁刚性模型大振幅的、且能够保证线性竖向刚度和线性扭转刚度的自由振动风洞试验装置，具体涉及到通过竖直线性拉伸弹簧、固定于模型两端的刚性圆杆和圆形刚性链轮、连接弹簧与链轮的高强链条、套在刚性圆杆上的轴承、与固定在轴承上的滑块、竖直导轨构成的系统，将桥梁模型的竖向和扭转耦合大振幅自由振动转化为线性弹簧的竖向自由伸缩，利用弹簧的线性拉伸刚度和圆形(恒定力臂长度)刚性链轮实现系统的线性竖向平动和线性转动刚度。模型侧向受到竖直导轨约束，不会发生侧向位移。由于系统在整个大幅耦合振动过程中，质量和质量惯矩始终不变，弹簧保证线性刚度，扭转力臂不变，因此竖向平动频率和绕圆形链轮中心转动频率保持恒定。
背景技术：
竖向和扭转耦合自由振动法是桥梁风洞试验测振(涡振、抖振、驰振、颤振)的一种主要方法，也是桥梁颤振导数识别的一种重要风洞试验方法。传统耦合自由振动试验装置采用弹簧悬挂主梁节段模型，优点在于装置简单，实现方便。对于弯扭耦合小振幅自由振动，竖向弹簧的侧向倾斜较小，弹簧近似满足竖向线性几何刚度条件。但当扭转振幅较大时，竖向弹簧发生明显侧向倾斜，弹簧几何刚度不满足线性条件，因此耦合振动系统的竖向和扭转刚度不再保持常数，而是与振幅相关，因此对后续试验结果造成不可接受的明显误差。竖向和扭转耦合自由振动振幅越大，弹簧侧向倾斜越大，试验误差也越大。一般认为当扭转振幅小于2°，误差基本可以忽略。但对于大振幅扭转振动情况，如塔科马旧桥风毁时，扭转振幅达到惊人的35°，采用传统自由竖向和扭转耦合自由振动试验装置根本无法模拟。扭转振幅即使只有10°，结果就已经完全错误。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对风洞试验中桥梁及其他结构构件节段模型竖向和扭转耦合大振幅自由振动的需要，提供一种可以有效避免试验过程中非线性因素，保证竖向和扭转耦合大振幅线性自由振动试验装置。竖向和扭转耦合自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型、刚性圆杆、刚性圆形链轮、链条、线性拉伸弹簧、轴承、滑块和导轨。
本发明的技术方案：
一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、刚性圆杆2、链轮3、链条4、线性拉伸弹簧5、轴承6、滑块7和导轨8；刚性试验模型1两端与刚性圆杆2固结，刚性圆杆2垂直穿过链轮3的中心并与其固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与刚性圆杆2轴线、链轮3中心线共线；链条4与链轮3的外轮廓啮合，链条4两端分别与线性拉伸弹簧5下端连接，保证刚性试验模型1和链轮3在竖向和扭转耦合自由振动过程中，链轮3与链条4之间没有相对滑移；轴承6套在刚性圆杆2上，刚性圆杆2可以在轴承6内自由转动；滑块7与轴承6固结，滑块7在导轨8上可以上下自由滑动，限制刚性试验模型1在风致大幅耦合自由振动过程中的侧向振动，导轨8两端竖向固定；刚性试验模型1在做竖向和扭转耦合自由振动过程中，线性拉伸弹簧5做上下竖直运动，链轮3转动通过链条4传到线性拉伸弹簧5，使其仅产生竖向拉伸变形而不发生侧向倾斜。
所述的链轮3的直径根据刚性试验模型1的质量、质量惯矩及扭转频率与竖弯频率的比值等几个参数确定，一般在0.2m‐1.5m范围内。
所述的链条4的线性拉伸刚度足够大(远大于线性拉伸弹簧5的拉伸刚度)，并且链条4与链轮3完全啮合，保证链条4与链轮3之间同步传动，没有相对滑移，摩擦阻尼尽可能小。对于一般刚性试验模型1，由于质量和振动频率都不太高，因此市面上很多链条都可满足要求。
所述的链轮3也不一定是一个完整的圆形，为了减轻质量，上部分可以切削掉一部分弧段，只要保证在整个振动过程中链条4始终有一部分与链轮3啮合，一部分与线性拉伸弹簧5共同保持竖直即可；另外，在确保强度和刚度条件下，在链轮上合适位置打孔，以减轻其质量。
所述的轴承6回转摩擦系数尽可能小，降低系统扭转阻尼比；同时轴承6与滑块7固结，确保在竖向和扭转耦合振动过程中滑块始终沿导轨8做竖向运动。
本发明的有益效果：将桥梁刚性模型竖向和扭转耦合大幅自由振动位移转化为弹簧的竖向线性拉伸变形，轴承、滑块和导轨对刚性试验模型进行限位，确保刚性试验模型振动过程中不发生侧向振动，线性拉伸弹簧不发生侧向倾斜，满足线性几何刚度条件。另外，自由振动过程中线性拉伸弹簧的拉伸刚度不变，系统质量和质量惯矩不变，链轮保证力臂也不变，因此系统竖向、扭转刚度及振动频率在整个振动过程中都保持不变，成功避免了传统方法试验过程中线性拉伸弹簧倾斜引起的几何非线性和刚度非线性问题。如果仅有单自由度竖向振动，则刚性试验模型两端、两侧的四根线性拉伸弹簧做同向伸缩变形。如果仅有单自由度扭转振动，则刚性试验模型任意一端两侧的两根线性拉伸弹簧做反向伸缩变形，而刚性试验模型上游或下游的对应两根线性拉伸弹簧做同向伸缩变形。如果有竖向和扭转耦合自由振动，线性拉伸弹簧则做以上伸缩变形的线性叠加。另外，该试验装置有以下优点：(1)安装方便。与传统自由振动装置安装难度基本相当。(2)初始攻角调节简便。既可以采用传统自由振动装置调整方法，也可以采用更简便的模型和链轮初始预转法。(3)可以实现传统装置无法实现的大振幅线性耦合自由振动，这是本装置的最大优势。(4)可以有效约束侧向振动，这是本装置的另一优势。(5)链条和链轮之间要完全啮合，阻尼非常小，即使单侧扭转振幅达到20°，机械阻尼比也能够控制在0.5％之内。
附图说明
图1是桥梁刚性模型弯扭耦合自由振动风洞试验装置的构造图。
图中：1刚性试验模型；2刚性圆杆；3链轮；4链条；
5线性拉伸弹簧；6轴承；7滑块；8导轨。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种桥梁竖向和扭转耦合大振幅自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、刚性圆杆2、刚性圆形链轮3、链条4、线性拉伸弹簧5、轴承6、滑块7和导轨8；刚性试验模型1两端与刚性圆杆2固结，刚性圆杆2垂直穿过链轮3的中心并与其固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与刚性圆杆2轴线、链轮3中心线共线；链条4与链轮3的外轮廓啮合，链条4两端分别与线性拉伸弹簧5下端连接，保证刚性试验模型1和链轮3在竖向和扭转耦合自由振动过程中，链轮3与链条4之间无相对滑移；轴承6套在刚性杆2上，刚性圆杆2可以在轴承6内自由转动；滑块7与轴承6固结，滑块7在导轨8上可以上下自由滑动，限制刚性试验模型1在风致大幅耦合自由振动过程中的侧向振动，导轨8两端竖向固定；刚性试验模型1在做竖向和扭转耦合自由振动过程中，线性拉伸弹簧5做上下竖直运动，链轮3转动通过链条4传到线性拉伸弹簧5，使其仅产生竖向拉伸变形而不发生侧向倾斜。