基于磁吸力的风荷载模拟试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种风荷载模拟试验装置，尤其涉及一种基于磁吸力的近长方体建筑表面风荷载模拟试验装置。

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效应，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全过程。而在风洞试验中，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基于磁吸力的风荷载模拟试验装置，能够模拟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：

基于磁吸力的风荷载模拟试验装置，其特征在于：包括电磁铁风力模拟系统、近长方体的建筑模型和激光位移测量装置，电磁铁风力模拟系统用于产生磁吸力，激光位移测量装置用于测量建筑模型端部的位移数据，电磁铁风力模拟系统、建筑模型和激光位移测量装置位于同一直线上，且电磁铁风力模拟系统和激光位移测量装置分别设置于建筑模型的两侧，建筑模型中每层楼板内均设置有若干根铁丝。

还包括水平距离调节装置，电磁铁风力模拟系统和建筑模型设置在水平距离调节装置上，且电磁铁风力模拟系统和建筑模型之间的水平距离可调。

水平距离调节装置采用绝缘导轨，绝缘导轨上分别滑动设置有电磁铁绝缘滑块和建筑模型绝缘滑块，电磁铁通过电磁铁塑料固定支架固定在电磁铁绝缘滑块上，建筑模型通过建筑模型塑料固定支架固定在建筑模型绝缘滑块上。

电磁铁风力模拟系统包括电磁铁、直流电源、精密电流表、变阻箱、开关和滑动变阻器，滑动变阻器的第一接线柱与直流电源正极相连，滑动变阻器的第二接线柱经开关与直流电源负极相连，滑动变阻器的滑动触头、精密电流表、变阻箱和电磁铁的线圈串联后与滑动变阻器的第二接线柱连接。

建筑模型中除顶层楼板外的每层楼板内均设置有若干根铜丝。

建筑模型为由砂浆制成的具有n层楼板的n层建筑模型，最高层楼板内设置k根铁丝，第t层楼板内设置有根铁丝，n＞1，1≤t≤n；第t层楼板内设置有根铜丝，n＞1，1≤t≤n；若干根铁丝和铜丝相互平行且均匀间隔设置在楼板内。

激光位移测量装置采用激光位移计，激光位移计的测量点高度与建筑模型顶端高度一致。

本实用新型利用通电导体对铁产生的磁吸力来模拟风荷载，由于建筑模型所受到的磁吸力为均布荷载，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为本实用新型中基于磁吸力的风荷载模拟试验装置的结构示意图。

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所示，本实用新型所述的基于磁吸力的风荷载模拟试验装置，包括电磁铁风力模拟系统、近长方体的建筑模型1和激光位移测量装置2，电磁铁风力模拟系统用于产生磁吸力，激光位移测量装置2用于测量建筑模型1端部的位移数据，电磁铁风力模拟系统、建筑模型1和激光位移测量装置2位于同一直线上，且电磁铁风力模拟系统和激光位移测量装置2分别设置于建筑模型1的两侧。

建筑模型1用于模拟真实建筑物，建筑模型1中设置有楼板(包括楼板本体和设置在楼板本体上的梁)和支撑柱，建筑模型1中的每层楼板和每个支撑柱内均设置有若干根铁丝，用于模拟真实建筑物中的楼板(包括楼板本体和设置在楼板本体上的梁)和支撑柱内的钢筋。建筑模型1中的楼板和支撑柱内设置的铁丝，均可在电磁铁风力模拟系统作用下受到磁吸力，这一磁吸力沿建筑模型高度方向，从上到下依次减小，与建筑结构承受的风荷载沿高度分布近似。

为了能快速准确的调节电磁铁风力模拟系统和建筑模型1之间的水平距离，以达到调节建筑模型1立面内表面设置的铁丝所受磁吸力的目的，本实用新型中还设置有水平距离调节装置3，电磁铁风力模拟系统和建筑模型1设置在水平距离调节装置3上，且电磁铁风力模拟系统和建筑模型1之间的水平距离可调。水平距离调节装置3采用绝缘导轨，以避免电磁铁风力模拟系统对水平调节装置的影响，提高试验结果的准确性。绝缘导轨上分别滑动设置有电磁铁4绝缘滑块和建筑模型1绝缘滑块，电磁铁4通过电磁铁4塑料固定支架固定在电磁铁4绝缘滑块上，建筑模型1通过建筑模型1塑料固定支架固定在建筑模型1绝缘滑块上。

本实施例中，电磁铁风力模拟系统包括电磁铁4、直流电源U、精密电流表G、变阻箱R2、开关和滑动变阻器R1，滑动变阻器R1的第一接线柱与直流电源U正极相连，滑动变阻器R1的第二接线柱经开关K与直流电源U负极相连，滑动变阻器R1的滑动触头、精密电流表G、变阻箱R2和电磁铁4的线圈串联后与滑动变阻器R1的第二接线柱连接。本方案中电磁铁4和直流电源U采用了分流法进行连接，既便于通过滑动变阻器R1调节通过电磁铁线圈的电流大小，以使电流处于安全范围内，避免对电路中电器元件及设备的损害，又能够利用变阻箱R2准确且自由的调节通过电磁铁线圈的电流大小，使电磁铁4产生试验所需求的电流大小，便于试验准确高效的进行。

为了保证建筑模型1的稳定性，建筑模型1中除顶层楼板外的每层楼板内还设置有若干根铜丝。建筑模型1可采用砂浆制成，用砂浆模拟建筑物中的混凝土，建筑模型1为n层，具有n层楼板(底层固定不算作楼板)，最高层楼板内设置k根铁丝，第t层楼板内设置有根铁丝，n＞1，1≤t≤n；第t层楼板内设置有根铜丝，n＞1，1≤t≤n。若干根铁丝和铜丝相互平行且均匀间隔设置在楼板内。

本实施例中，假设建筑模型1为5层，具有5层楼板(底层固定不算作楼板)，且5层楼板中最底层楼板设置有120根铁丝，即n＝5，k＝120；那么，5层楼板中从下至上依次设置有60、75、90、105、120根铁丝，5层楼板中从下至上依次设置60、45、30、15、0根铜丝。

由于在现实环境中，建筑物顶层所承受的风压为底部所承受风压的两倍，且随着高度的不同，所建筑物所承受的风压为一个渐变的过程。上述特殊的建筑模型1及其楼板内部铁丝和铜丝的设置，既能够保证建筑模型1的稳定性，使电磁铁4所产生的磁吸力作为外在荷载，产生分布力作用于建筑模型1上；又能够更为准确地模拟现实环境中高层建筑随着自身高度的增加，其所承受的风压不断增加的情况，以保证试验的严谨性及试验结果的准确性。本实施例中，建筑模型1内的每个支撑柱内，均设置有8根铁丝，用于模拟实际建筑物中支撑柱内的钢筋。

为保证激光位移测量装置2所检测到的建筑模型1端部位移数据的准确性，本实用新型中，激光位移测量装置2采用激光位移计，激光位移计的测量点高度与建筑模型1顶端高度一致，即激光位移计所发射出的激光的高度与建筑模型1顶端高度一致。

本实用新型所述的基于磁吸力的风荷载模拟试验装置在使用时，按照以下步骤进行：

A：在近长方体的建筑模型1的楼板内进行导线布置；

定义建筑模型1为具有四个侧面的近长方体，建筑模型1为n层，具有n层楼板(底层固定不算作楼板)，最高层楼板内设置k根铁丝，第t层楼板内设置有根铁丝，n＞1，1≤t≤n；第t层楼板内设置有根铜丝，n＞1，1≤t≤n，且若干根铁丝和铜丝相互平行且均匀间隔设置楼板内；

上述特殊的建筑模型1及其楼板内部铁丝和铜丝的设置，既能够保证建筑模型1的稳定性，使电磁铁4所产生的磁吸力作为外在荷载，产生分布力作用于建筑模型1上；又能够更为准确的模拟现实环境中高层建筑随着自身高度的增加，其所承受的风压不断增加的情况，以保证试验的严谨性及试验结果的准确性。

B：将完成导线布置的建筑模型1设置在绝缘导轨上的建筑模型1绝缘滑块内；建筑模型1可通过建筑模型1塑料固定支架固定在建筑模型1绝缘滑块上，以避免电磁铁风力模拟系统对其产生的影响，提高试验结果的准确性。

C：将电磁铁风力模拟系统中的电磁铁4设置在绝缘导轨上的电磁铁4绝缘滑块，并使电磁铁4位于建筑模型1的左侧；然后连接电磁铁4供电电路，将滑动变阻器R1的第一接线柱与直流电源U正极相连，将滑动变阻器R1的第二接线柱经开关与直流电源U负极相连，将滑动变阻器R1的滑动触头、精密电流表G、变阻箱R2和电磁铁4的线圈串联后与滑动变阻器R1的第二接线柱连接。

本方案中电磁铁4和直流电源U采用了分流法进行连接，既便于通过滑动变阻器R1调节通过电磁铁线圈的电流大小，以使电流处于安全范围内，避免对电路中电器元件及设备的损害，又能够利用变阻箱R2准确且自由的调节通过电磁铁线圈的电流大小，使电磁铁4产生试验所需求的电流大小，便于试验准确高效的进行。

D：将激光位移计安装在建筑模型1的右侧，使激光位移计的测量点高度与建筑模型1顶端高度一致，并确保电磁铁4、建筑模型1和激光位移计位于同一直线上；

E：分别调节滑动变阻器R1和变阻箱R2的阻值使建筑模型1产生位移变化，利用精密电流表G记录对应时刻通过电磁铁线圈的电流In，并利用激光位移计记录对应时刻的建筑模型1的位移wn；然后将多组数据In和wn整合到坐标图上拟合得到直线w＝I(X)＝kI，随后不断增大通过电磁铁线圈的电流In，直至建筑模型1被破坏，根据建筑模型1被破坏时的电流I，和测得的建筑模型1被破坏时的位移w，计算得出建筑模型1被破坏时的模拟风力大小。

E1：调节滑动变阻器R1，使通过电磁铁线圈的电流处于安全电流范围内；

E2：打开激光位移计并调节变阻箱R2，当电磁铁4产生的磁吸力使建筑模型1产生可观测到的位移时，记录精密电流表G的示数I1和激光位移计的示数w1；

E3：调节变阻箱R2，使通过电磁铁线圈的电流变大；然后当电磁铁4产生的磁吸力使建筑模型1产生可观测到的位移时，记录精密电流表G的示数I2和激光位移计的示数w2；

E4：重复上述试验步骤，直至建筑模型1被破坏，得到多组数据In和wn；

E5：将多组数据In和wn整合到坐标图上拟合得到直线w＝I(X)＝kI，在建筑模型1处于弹性阶段时，测得位移w和电流I的线性关系，并由此计算电流I与平均风速v的对应关系，电流I与平均风速v的对应关系的计算过程如下：

步骤E5(1)：由公知可得，即使在同一地区，由于高度不同，平均风速也不相同，根据实测结果分析，平均风速沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即：

其中，v为任一点的平均风速，vs为标准风速，即标准高度处的平均风速，z为任一点的高度，zs为标准高度，大多数国家的基本风压都规定标准高度为zs＝10m；α为与地貌或地面粗糙程度有关的系数；根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，将全国地面地貌粗糙度等级分为四类，A类系指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠等，其粗糙度指数取0.12；B类系指空旷田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区，其粗糙度指数取0.16；C类系指有密集建筑群的城市市区，其粗糙度指数为0.22；D类系指有密集建筑物且有大量高层建筑的大城市市区，其粗糙度指数取0.3。

步骤E5(2)：由伯努利方程可得平均风速v与风压q的公式：

其中，q为风压，等同于近乎均布荷载，γ为空气单位体积的重力，g为重力加速度。

此时得到的风压q为面风压，由于实际建筑物是近长方体，迎风面与背风面均受风荷载，此风荷载沿宽度方向不发生变化，沿高度方向有显著差异，故可将此面荷载转化为沿高度方向变化的线荷载，简化计算程序，要得到z高度的线风压q(z)，需通过公式：

q(z)＝q×b×CD 公式(3)；

其中，b为实际建筑物的宽度，CD为阻力系数，对于垂直平面体阻力系数取1.0；

步骤E5(3)：将公式(1)与公式(2)和(3)联立，可得在z高度的线风压为：

步骤E5(4)：对于实际建筑物这种既有弹性又有塑性的材料，且分布荷载并不均匀的情况下，在弹性阶段端部位移W必定与端部荷载具有某种线性关系，假定其比例系数为m，即W＝q(h)×m，m与建筑模型材料的弹性模量E、高度h有关，由公式(4)可以得到在h高度处的端部荷载q(h),在确定建筑模型1和端部荷载的条件下，通过基础的力学计算，可以直接得到端部位移W，由于端部位移W和端部荷载q(h)可以确定，因此通过端部位移W和端部荷载q(h)的比值，可计算出m；进而得到实际建筑中端部位移W与标准风速vs的关系式：

W＝vs×f1(b,CD,α,m) 公式(5)；

同时，我们已知W＝kI，换算到实际建筑物大小中，设比例尺为λ，实际的端部位移为W，有w＝λ×W

然后与公式(5)联立，可得实际建筑物中，电流I与标准风速vs的关系为：

kI＝λvs×f1(b,CD,α,m)；

最终，计算得出建筑模型1被破坏时的标准高度zs下的标准风速vs。