一种近长方体建筑表面风荷载模拟试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种近长方体建筑表面风荷载模拟试验装置，尤其涉及一种利用磁场对通电导线的产生的安培力模拟近长方体建筑表面风荷载的试验装置。

背景技术：

对于高层建筑和超高层建筑，其受到的风荷载较为显著。现阶段多通过风洞试验和结构计算以明确结构在风荷载作用下的响应，包括位移和内力等。但是，对于现阶段的风洞试验，刚体模型试验只能测得结构的整体和表面局部风荷载，气弹模型试验也只能得到结构的位移，均无法再现结构在风荷载作用下的破坏过程。众所周知，地震荷载是与风荷载相应的另一类动力作用，而振动台试验则可再现模拟结构在地震作用下的破坏过程。但在风洞试验中，如果结构模型破坏碎裂，则其碎片将飘散在风洞中，并会被卷入风机，造成风机损坏。因此，风洞试验无法进行破坏性试验，故无法再现结构在风荷载作用下的破坏过程。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种近长方体建筑表面风荷载模拟试验装置，能够快速准确地测得建筑模型所能承受的极限风荷载，同时在建筑模型被破坏的时候不会对试验装置造成损害。

本实用新型采用下述技术方案：

一种近长方体建筑表面风荷载模拟试验装置，包括通电螺线管和设置在通电螺线管内的近长方体的建筑模型，建筑模型的前侧表面和后侧表面均设置有导线组，每组导线组均包括多根竖直均匀设置的并联导线，多根并联导线并联后与第一直流电源连接；通电螺线管内部水平设置有绝缘平台，建筑模型设置在绝缘平台上，通电螺线管上缠绕的线圈导线与第二直流电源连接，通电螺线管内部磁感线方向与建筑模型表面设置的多根并联导线的方向垂直。

建筑模型的前侧表面和后侧表面均设置两组导线组，每组导线组均包括多根竖直均匀设置的并联导线，每组导线组中的多根并联导线并联后分别与对应的可变电阻和对应的第一直流电源连接，两组导线组中的多根并联导线均相互平行且均匀分布在建筑模型的前侧表面和后侧表面上，可变电阻与第一直流电源均位于通电螺线管外部。

每根并联导线均上下竖直设置在建筑模型表面上，每根并联导线的上部均与建筑模型表面紧密贴合，多根并联导线中的至少一根并联导线的下部不与建筑物表面贴合，用于连接多根并联导线和直流电源的连接导线分别水平位于多根并联导线的上方和下方，通电螺线管内部磁感线方向与建筑模型表面所布置的用于连接多组并联导线和直流电源的连接导线的设置方向相平行。

通电螺线管设置在支座上，通电螺线管长度大于等于通电螺线管内径的2.5倍，支座上表面开设与通电螺线管形状相适配的弧形凹槽，通电螺线管设置在弧形凹槽内。

支座为绝缘支座。

建筑模型设置在绝缘平台上，且通过建筑模型固定装置与绝缘平台固定。

多根并联导线通过胶粘的方式和/或通过横向设置的水平环箍均匀固定在建筑模型表面。

还包括用于测量建筑模型端部所产生的微小形变的激光位移计。

本实用新型利用通电螺线管内磁场对分布在建筑模型表面通电导线所产生的安培力来模拟风荷载，由于建筑模型所受到的安培力为均布荷载，能准确模拟实际建筑物所受到的风力，快速准确地测得建筑模型所能承受的极限风荷载，同时在建筑模型被破坏的时候不会对传统的风洞试验装置造成损害。

附图说明

图1为本实用新型中风荷载模拟试验装置的结构示意图；

图2为本实用新型中建筑模型前侧表面所设置的两组导线组的电路示意图；

图3为本实用新型中通电螺线管横向水平放置从上至下垂直投影后得到矩形投影的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作以详细的描述：

如图1至图3所示，本实用新型所述的近长方体建筑表面风荷载模拟试验装置，包括通电螺线管1和设置在通电螺线管1内的近长方体的建筑模型2，建筑模型2的前侧表面和后侧表面均设置有导线组，每组导线组均包括多根竖直均匀设置的并联导线5，多根并联导线5并联后与第一直流电源7连接；通电螺线管1内部水平设置有绝缘平台4，建筑模型2设置在绝缘平台4上，通电螺线管1上缠绕的线圈导线与第二直流电源连接，通电螺线管1上缠绕的线圈导线与第二直流电源连接以使通电螺线管1内部形成磁场，且通电螺线管1内部磁感线方向与建筑模型2表面设置的多根并联导线5的方向垂直，从而在多根并联导线5上产生在水平方向上垂直于建筑物表面的安培力，由于风荷载也在水平方向上垂直于建筑物表面，因而此安培力可模拟建筑物表面的风荷载。为保证通电螺线管1内部磁场的均匀，通电螺线管1长度大于等于通电螺线管1内径的2.5倍。

本实施例中，建筑模型采用砂浆制成，建筑模型内部设置有铁丝，即采用砂浆代替建筑物中的混凝土，铁丝代替建筑物中的钢筋，建筑模型按照建筑设计规范合理地排布。建筑模型按比例制作，对于常规100m高度的高层建筑，采用1:50的比例制作。如图2所示，考虑到直流电源使用的安全性，优选地可在建筑模型2的前侧表面和后侧表面均设置两组导线组，每组导线组均包括多根竖直均匀设置的并联导线5，每组导线组中的多根并联导线5并联后分别与对应的可变电阻和对应的直流电源连接，即一组导线组单独使用一个第一直流电源7，两组导线组中的多根并联导线5均相互平行且均匀分布在建筑模型2的前侧表面和后侧表面上。可变电阻与第一直流电源7均位于通电螺线管1外部，防止对试验数据造成影响。

每根并联导线5均上下竖直设置在建筑模型2表面上，每根并联导线5的上部均与建筑模型2表面紧密贴合，多根并联导线5中的一根或多跟并联导线5的下部不与建筑物表面贴合，用于连接多根并联导线5和直流电源的连接导线分别水平位于多根并联导线5的上方和下方，通电螺线管1内部磁感线方向与建筑模型2表面所布置的用于连接多组并联导线5和直流电源的连接导线的设置方向相平行，使其不受到安培力的影响，保证试验数据的准确。

本实施例中，由于风荷载在建筑物高度方向上往往不均匀分布，若每根并联导线5均与建筑模型表面贴合，则无法准确模拟建筑物所受到的风荷载，导致试验结果不够准确。为进一步准确模拟且保证试验结果的准确性，本实用新型中，根据风荷载沿高度的变化规律，将每根并联导线5的上部均与建筑模型2表面紧密贴合，多根并联导线5中的一根或多跟并联导线5的下部不与建筑物表面贴合，即分布在建筑模型底端的部分并联导线5在一定高度范围内弯起，此时这部分不与建筑物表面贴合的并联导线5的下部对建筑模型不产生力的作用，从而准确模拟风荷载沿高度的变化情况。

由于建筑模型前侧表面上设置的并联导线5所受安培力指向模型，故此安培力始终作用在建筑模型上，而建筑模型后侧表面的并联导线5所受安培力是离开建筑模型的，故此安培力会使并联导线5偏离模型而无法使建筑模型受力，为使建筑模型后侧表面所设置的并联导线5的安培力同样传递到建筑模型上，多根并联导线5通过胶粘的方式和/或通过横向设置的水平环箍均匀固定在建筑模型2表面，水平环箍可采用塑料丝带。

通电螺线管1设置在支座3上，支座3上表面开设与通电螺线管1形状相适配的弧形凹槽，通电螺线管1设置在弧形凹槽内，支座3可采用绝缘支座3，如利用混凝土砌筑的绝缘支座3。建筑模型2设置在绝缘平台4上，且通过建筑模型2固定装置与绝缘平台4固定。本实施例中，绝缘平台4固定装置可采用铜质螺钉。建筑模型2的下端中部设置有传输线通过孔，便于传输信号线通过。

本实用新型中，还包括用于测量建筑模型2端部所产生的微小形变的激光位移计。激光位移计能够在试验设备开启后，测量的建筑模型2端部所产生的微小形变从而计算出建筑模型2受力大小，为后续试验数据校核提供保证。

本实用新型所述的近长方体建筑表面风荷载模拟试验方法，包括以下步骤：

A：在近长方体的建筑模型2的两个测试面进行导线布置。

定义建筑模型2为具有四个侧面的近长方体，正面垂直承受风荷载的建筑模型2的前侧表面为第一测试面，与第一测试面平行的建筑模型2的后侧表面为第二测试面。分别在第一测试面和第二测试面上设置导线组，每组导线组均包括多根竖直均匀设置的并联导线5，多根并联导线5并联后与第一直流电源7连接。

本实施例中，考虑到直流电源使用的安全性，优选地可在建筑模型2的前侧表面和后侧表面均设置两组导线组，每组导线组均包括多根上下竖直均匀设置在建筑模型2表面上的并联导线5，每组导线组中的多根并联导线5并联后分别与对应的可变电阻和对应的第一直流电源7连接，即一组导线组单独使用一个第一直流电源7，两组导线组中的多根并联导线5均相互平行且均匀分布在建筑模型前侧表面和后侧表面上；用于连接多根并联导线5和直流电源的连接导线分别水平位于多根并联导线5的上方和下方。由于通电螺线管1内部磁感线方向与建筑模型2表面所布置的用于连接多组并联导线5和直流电源的连接导线的设置方向相平行，从而使其不受到安培力的影响，以保证试验数据的准确。

由于风荷载在建筑物高度方向上往往不均匀分布，若每根并联导线5均与建筑模型表面贴合，则无法准确模拟建筑物所受到的风荷载，导致试验结果不够准确。为进一步准确模拟且保证试验结果的准确性，本实用新型中，根据风荷载沿高度的变化规律，将每根并联导线5的上部均与建筑模型2表面紧密贴合，多根并联导线5中的一根或多跟并联导线5的下部不与建筑物表面贴合，即分布在建筑模型底端的部分并联导线5在一定高度范围内弯起，此时这部分不与建筑物表面贴合的并联导线5下部对建筑模型不产生力的作用，从而准确模拟风荷载沿高度的变化情况。

建筑模型的各个立面均采用砂浆制成，建筑模型内部设置有铁丝，即采用砂浆代替建筑物中的混凝土，铁丝代替建筑物中的钢筋，建筑模型按照建筑设计规范合理地排布。建筑模型按比例制作，对于常规100m高度的高层建筑，采用1:50的比例制作。

由于建筑模型前侧表面上设置的并联导线5所受安培力指向模型，故此安培力始终作用在建筑模型上，而建筑模型后侧表面的并联导线5所受安培力是离开建筑模型的，故此安培力会使并联导线5偏离模型而无法使建筑模型受力，为使建筑模型后侧表面所设置的并联导线5的安培力同样传递到建筑模型上，多根并联导线5通过胶粘的方式和/或通过横向设置的水平环箍均匀固定在建筑模型2表面，水平环箍可采用塑料丝带。

B：将完成导线布置的建筑模型2放置在通电螺线管1内。

本申请中，通电螺线管1内部磁感线方向与建筑模型2表面设置的多根并联导线5的方向垂直，从而在多根并联导线5上产生在水平方向上垂直于建筑物表面的安培力，由于风荷载也在水平方向上垂直于建筑物表面，因而此安培力可模拟建筑物表面的风荷载。

通电螺线管1设置在支座3上，本申请中，可在支座3上表面开设与通电螺线管1形状相适配的弧形凹槽，通电螺线管1设置在弧形凹槽内。为保证通电螺线管1内部磁场的均匀，通电螺线管1长度大于等于通电螺线管1内径的2.5倍。支座3可采用绝缘支座3，如利用混凝土砌筑的绝缘支座3。

通电螺线管1内部的下部水平设置有绝缘平台4，绝缘平台4采用塑料等绝缘材料制成。建筑模型2设置在绝缘平台4上，且通过建筑模型2固定装置与绝缘平台4固定。本实施例中，绝缘平台4固定装置可采用铜质螺钉。

通电螺线管1上缠绕的线圈导线与第二直流电源连接。可变电阻、第一直流电源7和第二直流电源均位于通电螺线管1外部，防止对试验数据造成影响。

C：根据试验要求，设计试验参数；

设建筑模型2的高度为H，即单根并联导线5的长度为H；单根并联导线5上通过的实际电流为I1，第一测试面和第二测试面上设置导线组中均包含M根并联导线5；则建筑模型2的前侧表面和后侧表面上所受到的磁场对通电导线的产生的总安培力F总＝B*I1*H*M*2；设磁场强度为B，其中，μ0为电磁学恒定电流磁场中真空磁导率，μ0＝4π*10^-7H/m，n为通电螺线管1上所缠绕的线圈总匝数；I2为通电螺线管1上所缠绕的线圈通过的实际电流；如图3所示，将通电螺线管1横向水平放置，从上至下垂直投影后得到矩形投影，矩形投影中矩形中心点到矩形上边两个端点之间进行连线，其中矩形投影中矩形中心点和矩形上边左端点的连线与矩形上边所形成的锐角为α1，矩形投影中矩形中心点和矩形上边右端点的连线与矩形上边所形成的钝角为α2。

设计各个试验参数，且保证在此设计的试验参数下，磁场强度B小于等于0.8T，以确保电源负荷在30KV以内。

本实施例中，设通电导线的横截面积为2.627mm²，通电导线的外径r1为1.82mm，此横截面积下，导线正常通过电流10.4A，最大通过电流11.8A，实际通过导线电流I1＝10A；设通电螺线管1的半径为r2＝1.4m，通电螺线管1的长度为L2＝7m，以确保通电螺线管1占地面积尽可能小，同时保证线圈层数尽可能少；

设通电螺线管1上缠绕的线圈导线的横截面积为5.26mm²，外径r3为2.59mm，单层紧密排列线圈匝数为386圈，线圈层数为75层，通电螺线管1上所缠绕的总线圈匝数n＝386*75，通电螺线管1上缠绕的线圈导线正常通过电流20.8A，最大通过电流23.7A，实际通过导线电流I2＝20A；

本实施例中，通电螺线管1上缠绕的线圈导线中电流方向为逆时针方向，建筑模型2前后两侧表面设置的并联导线5中的电流方向均为自上而下，使得正面垂直承受风荷载的建筑模型2的前侧表面即第一测试面受到垂直于前侧表面且向后的作用力，建筑模型2的后侧表面即第二测试面受到垂直于后侧表面且向后的作用力。

D：利用激光位移计进行试验数据校核，即在试验设备开启后，利用激光位移计所测得的建筑模型2端部所产生的微小形变计算出建筑模型2受力大小，并判断此受力大小是否与磁场对通电导线的产生的总安培力F总大小一致，若一致，则进入步骤E；若不一致，则返回步骤A；

在通电螺线管1上缠绕的线圈导线和建筑模型2表面导线组均通电情况下，利用激光位移计测量建筑模型2端部产生的微小形变，设激光位移计所测得的建筑模型2端部所产生的微小形变即水平位移为a(水平位移为应力测试领域专业名词，在本申请中指建筑模型2端部在前后方向上的位移)，将固定在通电螺线管1内的建筑模型2可简化为一个竖直放置的悬臂梁，通过材结构力学可知在近乎均布荷载q作用下，建筑模型2顶端的水平位移其中，H为建筑模型2的高度，E为弹性模量，Iz为截面惯性矩，E和Iz分别根据模型材料和结构平面布置计算得出；

根据上述公式，利用激光位移计测得的建筑模型2端部所产生的微小形变即水平位移a，即可求得近乎均布荷载q；则建筑模型2所受的总水平荷载为qH，建筑模型2应受的总水平荷载为F总＝B*I1*H*M*2，通过判断qH和F总是否相等以证明试验方案是否合理；若qH＝F总，则进入步骤E；若qH≠F总，则返回步骤A进行继续调试；

E：通过调节通电螺线管1上缠绕的线圈导线通过的电流大小和调节并联导线5内通过的电流大小，改变建筑模型2表面受力的大小，以模拟风荷载，直至建筑模型2破坏；同时实时记录相关数据。

通电螺线管1内的磁场强度大小，可通过调整通电螺线管1上缠绕的线圈导线内通过的电流大小实现；并联导线5内通过的电流大小，可通过调整可变电阻阻值大小实现。