一种竖直扭转两自由度的节段模型风洞试验系统

1.本发明涉及桥梁节段模型试验装置，尤其是涉及一种竖直扭转两自由度的节段模型风洞试验系统。


背景技术：

2.在桥梁结构模型试验中，弹簧悬挂节段模型试验是研究桥梁风致振动性能的最常用和最经济的手段，也是桥梁颤振导数识别的一种重要风洞试验装置。
3.对于传统的弹簧悬挂构造，当节段模型初始攻角过大时，弹簧轴线会明显偏离桥面的法向，从而引起模型系统的刚度变化。此外，由于受风洞高度和弹簧长度的限制，弹簧的线弹性伸缩范围有限，模型的允许振动幅度往往较小。
4.然而，随着现代大跨度桥梁跨度的不断增加，尤其是跨度突破千米后，风荷载静力作用下的桥梁变形和主梁扭转角越来越显著，风致振动的幅值也越来越大，从而导致大跨度桥梁气动弹性效应的非线性也随之增强。在节段模型风洞试验中，当扭转振幅较大时，如果采用传统的弹簧悬挂节段模型，竖向拉伸弹簧会发生明显侧向倾斜，弹簧几何刚度呈非线性变化，尤其竖向拉伸弹簧提供的扭转刚度随振幅产生复杂的非线性特征，因此竖向扭转两自由度的自由振动系统的竖向和扭转刚度将不再保持常数，而是与振幅相关，同时据以往试验经验，传统竖向和扭转两自由度耦合自由振动装置大振幅下竖向拉伸弹簧会发生大幅舞动甚至脱落，致使根本无法模拟大扭转振幅的试验现象。其对后续试验结果将产生不可接受的方法误差，对大跨度桥梁的颤振和涡振性能的影响不容忽视。
5.此外，在实际的风洞试验中需要测试节段模型在不同风攻角下的振动情况，传统弹簧悬挂节段模型的初始风攻角虽然可调，但其可调范围较小，减弱了设备实现不同试验环境的能力。因此，要求采用节段模型试验研究大跨度桥梁非线性自激力数学模型及其参数识别时，必须要求刚度保持常数，并考虑大初始攻角和大振幅的情况。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种竖直扭转两自由度的节段模型风洞试验系统。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种竖直扭转两自由度的节段模型风洞试验系统，包括结构相同的两组悬挂支撑装置，所述的两组悬挂支撑装置分别与节段试验模型的两端连接，且相互对称设置，每组悬挂支撑装置分别包括刚性支撑、风攻角调节板、支撑框架、竖直颤振测量组件和扭转颤振测量组件，所述的刚性支撑立于地面，所述的风攻角调节板安装于刚性支撑上，所述的支撑框架通过竖直颤振测量组件安装于风攻角调节板上，能够沿竖直方向运动，所述的扭转颤振测量组件安装于支撑框架上，且与节段试验模型连接，能够与节段试验模型共同做扭转运动，所述的竖直颤振测量组件通过竖向弹簧提供节段试验模型竖直方向的刚度，所述的扭转颤振测量组件通过横向弹簧提供节段试验模型扭转方向的刚度。
9.进一步地，所述的竖直颤振测量组件包括导轨和竖向弹簧，所述的支撑框架上开设竖向滑槽，所述的导轨插设于竖向滑槽内，且顶端固定安装于风攻角调节板上，所述的支撑框架能且仅能沿导轨沿竖直方向运动，所述的竖向弹簧的一端与风攻角调节板固定连接，另一端与支撑框架固定连接。
10.进一步优选地，所述的竖向滑槽分别开设于支撑框架的两侧，所述的导轨设置两根，与支撑框架两侧的竖向滑槽对应设置，所述的竖向弹簧设置两根，分别设置于支撑框架的两侧。
11.更进一步地，所述的竖直颤振测量组件还包括挂钩连接板和竖向弹簧挂钩，所述的挂钩连接板通过螺栓固定安装于风攻角调节板上，所述的竖向弹簧挂钩分别设置于竖向弹簧的两端，所述的竖向弹簧的两端分别挂设于竖向弹簧挂钩上，两端的竖向弹簧挂钩分别用于连接挂钩连接板和支撑框架。
12.进一步地，所述的扭转颤振测量组件包括转动传递件、导向圆弧件和扭转控制单元，所述的转动传递件为中心对称结构，其中心与节段试验模型连接，能够与节段试验模型沿共同的扭转中心线做扭转运动，所述的导向圆弧件共两个，对称安装于支撑框架上，所述的转动传递件做扭转运动时，两端分别沿导向圆弧件滑动，所述的扭转控制单元共四个，两两为一组，分别与转动传递件两端部连接，且与转动传递件同一端部连接的两个扭转控制单元分别对转动传递件的端部施加方向相反的拉力，四个扭转控制单元绕转动传递件的中心形成中心对称结构，提供节段试验模型扭转方向的刚度。
13.更进一步地，所述的扭转控制单元包括柔性连接件、固定板、滑轮和横向弹簧，所述的固定板固定安装于支撑框架的侧面，所述的滑轮安装于固定板上，所述的固定板内设置横向弹簧槽，所述的横向弹簧设置于横向弹簧槽内，其一端固定安装于支撑框架的侧面，另一端与柔性连接件连接，所述的柔性连接件依次绕过滑轮和导向圆弧件后与转动传递件的端部连接。
14.转动传递件通过刚性轴与节段试验模型连接，转动传递件在转动时，转动的最大角度范围在
‑
40
°‑
40
°
左右；同时横向弹簧在柔性连接件的作用下伸缩，横向弹簧应长度较短，刚度较小且始终处于拉伸状态。
15.更进一步地，所述的导向圆弧件包括导向圆弧底板、导向圆弧盖板和滚轮，所述的导向圆弧底板上沿圆弧方向均匀设置多个圆柱形凸起，所述的滚轮设置多个，分别安装于多个圆柱形凸起上，所述的导向圆弧盖板与导向圆弧底板相互配合，用于抵住滚轮的端部，且暴露滚轮的侧壁，所述的柔性连接件绕过导向圆弧件时，与多个滚轮分别形成点接触，以尽可能减小摩擦力的影响。
16.更进一步地，所述的转动传递件的两端分别开设扭转滑槽和连接孔，所述的扭转滑槽套设于导向圆弧件外，所述的柔性连接件安装于连接孔内。
17.进一步优选地，所述的柔性连接件与导向圆弧件的最大圆弧端点处相切，所述的滑轮中间开设凹槽，所述的柔性连接件设置于凹槽内，且凹槽最小圆周处与横向弹簧的轴线相切，从而保证横向弹簧弹力大小不变传递到转动传递件的两端，且力的方向始终与导向圆弧件相切，进而实现扭转刚度保持常数。
18.进一步优选地，所述的柔性连接件的线性抗拉刚度最少为横向弹簧刚度的104倍，以保证仅由横向弹簧提供扭转刚度，因为如果柔性连接件的和横向弹簧的刚度在一个数量
级上，则柔性连接件也会提供刚度，但柔性连接件的刚度是未知且非线性的，这将使实验过程更为复杂。
19.进一步地，该系统还包括旋紧把手，所述的风攻角调节板通过旋紧把手可拆卸安装于刚性支撑上，所述的旋紧把手用于调节并固定风攻角调节板的角度，通过旋紧把手固定风攻角调节板并调节角度，松开旋紧把手，可旋紧风攻角调节板至所需的角度，从而调整节段试验模型的风攻角。
20.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.1)本发明中，竖向弹簧与横向弹簧独立配置，形成互不干扰、相互独立的竖直颤振测量组件和扭转颤振测量组件，竖向弹簧仅提供竖向刚度，横向弹簧仅提供扭转刚度，且两个自由度上的刚度保持常数，这对节段模型的风洞试验结果的准确性与精度有着重要的意义；
22.2)本发明中，竖直颤振测量组件通过导轨与竖向滑槽的作用，保证节段实验模型在大振幅竖向和扭转两自由度振动的过程中，支撑框架只能在相对于风攻角的竖直方向的运动而不会发生扭转运动，从而保证竖向弹簧不发生侧向倾斜且只提供竖向刚度不提供扭转刚度，提高可靠性；
23.3)本发明中，扭转颤振测量组件通过设计使滑轮及导向圆弧件，实现只改变横向弹簧弹力的方向而不改变力的大小，从而将横向弹簧的力传递至转动传递件上，且力的作用方向与转动轨迹相切，保证了扭转方向上的刚度为常数，可以实现大振幅的扭转运动；
24.4)本发明中，竖直颤振测量组件和扭转颤振测量组件的设计使用，使得试验系统可以在竖直扭转两自由度上实现大振幅的运动而不发生倾摆，因此有效减少了振动系统中一项复杂非线性阻尼的来源；
25.5)本发明中的风攻角调节板，通过旋紧把手设置在刚性支撑上，可以大幅度调节节段模型的初始风攻角，使风洞试验系统可以在不同的环境条件下进行试验，并且使得风洞试验更灵活、节约，且整体装置方便组、拆、移动、固定，并适应不同长度刚性模型的试验要求；
26.6)柔性连接件与导向圆弧件的滚轮之间为点接触，阻尼很小可以忽略不计，柔性连接件与滑轮之间为滚动摩擦，阻尼很小，基本和传统装置的机械阻尼相当，很容易控制在0.3％之内。
附图说明
27.图1为本发明系统的整体结构示意图；
28.图2为本发明一侧悬挂支撑装置的主视图；
29.图3为本发明中扭转颤振测量组件的结构示意图；
30.图4为本发明中扭转颤振测量组件的后侧结构示意图；
31.图5为本发明中转动传递件的端部示意图；
32.图6为本发明中导向圆弧件的结构示意图。
33.其中，1、刚性支撑，2、风攻角调节板，3、支撑框架，31、竖向滑槽，4、导轨，5、导向圆弧件，51、导向圆弧底板，52、导向圆弧盖板，53、滚轮，6、转动传递件，61、连接孔，62、扭转滑槽，7、柔性连接件，8、固定板，81、横向弹簧槽，9、滑轮，10、刚性轴，11、竖向弹簧，12、横向弹
簧，13、节段试验模型，14、旋紧把手，15、竖向弹簧挂钩，16、挂钩连接板，17、横向弹簧挂钩。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
35.实施例
36.如图1和图2所示，本发明公开了一种竖直扭转两自由度的节段模型风洞试验系统，包括结构相同的两组悬挂支撑装置，两组悬挂支撑装置分别与节段试验模型13的两端连接，且相互对称设置，每组悬挂支撑装置分别包括刚性支撑1、风攻角调节板2、支撑框架3、竖直颤振测量组件和扭转颤振测量组件，刚性支撑1立于地面，风攻角调节板2安装于刚性支撑1上，支撑框架3通过竖直颤振测量组件安装于风攻角调节板2上，能够沿竖直方向运动，扭转颤振测量组件安装于支撑框架3上，且与节段试验模型13连接，能够与节段试验模型13共同做扭转运动，竖直颤振测量组件通过竖向弹簧提供节段试验模型竖直方向的刚度，扭转颤振测量组件通过横向弹簧提供节段试验模型扭转方向的刚度。支撑框架3外侧为矩形框架，中间设置两条相互交叉成x型的支杆，支撑框架3的矩形框架左右两侧上开设竖向滑槽31。刚性支撑1上设置有沿圆周等间距的螺纹孔，用以连接旋紧把手14，旋紧把手14通过压力固定风攻角调节板2，风攻角调节板2在旋转至所需试验角度后由旋紧把手14固定。
37.竖直颤振测量组件包括导轨4、竖向弹簧11、挂钩连接板16和竖向弹簧挂钩15，导轨4插设于竖向滑槽31内，且顶端固定安装于风攻角调节板2上，支撑框架3能且仅能沿导轨4沿竖直方向运动，挂钩连接板16开孔通过竖向弹簧挂钩15与竖向弹簧11上端连接，竖向弹簧11下端通过竖向弹簧挂钩15与支撑框架3下端部连接。导轨4通过六角螺栓固定于风攻角调节板2上，导轨4长度应以支撑框架3的竖向滑槽31在导轨4中竖直运动时不接触到底面为准，导轨4的间距保证与竖向滑槽31配合，允许有一定误差。本实施例中，矩形框架3左右对称结构，矩形的下端较上端伸长一部分，伸长部分长度范围为0.1
‑
0.15m，可在伸长部分上开孔固定竖向弹簧挂钩15连接竖向弹簧11的下端，竖向弹簧11设置两根，分别设置于支撑框架3的两侧。
38.竖向滑槽31可供导轨4在其中运动，用以限制支撑框架3的四个自由度，保证节段试验模型13在大振幅竖向和扭转耦合振动的过程中，支撑框架3仅做竖向运动，从而保证竖向弹簧11仅发生竖向伸缩变形而不发生侧向倾斜，且竖向弹簧11仅提供竖向刚度。
39.如图3和图4所示，扭转颤振测量组件包括转动传递件6、导向圆弧件5、刚性轴10和扭转控制单元，扭转控制单元包括柔性连接件7、固定板8、滑轮9和横向弹簧12，支撑框架3的x型结构中间连接处开孔，作为刚性轴10的支撑圆孔，支撑圆孔与刚性轴10同轴心，转动传递件6为中心对称结构，其中心通过刚性轴10与节段试验模型13连接，能够与节段试验模型13沿共同的扭转中心线做扭转运动，导向圆弧件5共两个，对称安装于支撑框架3上，转动传递件6做扭转运动时，两端分别沿导向圆弧件5滑动，扭转控制单元共四个，两两为一组，分别与转动传递件6两端部连接，且与转动传递件6同一端部连接的两个扭转控制单元分别对转动传递件6的端部施加方向相反的拉力，四个扭转控制单元绕转动传递件6的中心形成
中心对称结构，提供节段试验模型扭转方向的刚度。
40.固定板8固定安装于支撑框架3的侧面，滑轮9安装于固定板8上，固定板8内设置横向弹簧槽81，横向弹簧12设置于横向弹簧槽81内，其一端固定安装于支撑框架3的侧面，另一端与柔性连接件7连接，柔性连接件7依次绕过滑轮9和导向圆弧件5后与转动传递件6的端部连接。
41.本实施例中，支撑框架3左右杆内侧与四个固定板8固定且位置对称，支撑框架3与两个上下对称的导向圆弧件5固定，导向圆弧件5的圆心与支撑框架3的x型结构中间所开孔的圆心共线，固定板8通过横向弹簧挂钩17与横向弹簧12的一端连接，固定板8上设置凸出圆柱，微型滑轮9与凸出圆柱作间隙配合，安装于固定板8上，滑轮9中间开有凹槽，柔性连接件7由凹槽定位，且凹槽最小圆周处与横向弹簧12轴线相切，通过柔性连接件7与滑轮9、导向圆弧件5的接触从而改变所述横向弹簧产生恢复力的方向，固定板8设置横向弹簧槽81，横向弹簧槽81的长度由导向圆弧件5的半径r与扭转振幅θ决定。
42.如图6所示，导向圆弧件5包括导向圆弧底板51、导向圆弧盖板52和滚轮53，导向圆弧底板51上沿圆弧方向均匀设置多个等间距的圆柱形凸起，滚轮53设置多个，分别安装于多个圆柱形凸起上，直接插入导向圆弧底板51的圆柱形凸起作间隙配合，且可绕圆柱形凸起旋转，导向圆弧盖板52与导向圆弧底板51相互配合，用于抵住滚轮53的端部，且暴露滚轮53的侧壁，柔性连接件7绕过导向圆弧件5时，与多个滚轮53分别形成点接触，柔性连接件7与导向圆弧件5的最大圆弧端点处相切，滑轮9中间开设凹槽，柔性连接件7设置于凹槽内，且凹槽最小圆周处与横向弹簧12的轴线相切。本实施例中，柔性连接件7的线性抗拉刚度远大于横向弹簧12刚度，最少为横向弹簧12刚度的104倍，柔性连接件7为直径范围在0.002
‑
0.004m的钢丝尼龙绳，柔性连接件7满足轻质高强的特点，始终处于拉紧状态，保证横向弹簧12始终处于线性弹性状态。
43.如图5所示，转动传递件6的两端分别开设扭转滑槽62和连接孔61，扭转滑槽62套设于导向圆弧件5外，可沿导向圆弧件5滑动，且扭转滑槽62与导向圆弧件5不接触，两者之间有极小的间隔，柔性连接件7安装于连接孔61内。
44.本实施例中，支撑框架3、导轨4和竖向弹簧11共同构成独立配置的竖直刚度子系统，且支撑框架3在导轨4上可移动的距离不小于0.4m，支撑框架3的长宽根据不同实验条件灵活调整，建议范围在0.6
‑
0.8m，支撑框架3作为运动部件质量尽量不超过3.5kg，为尽可能控制质量并提高结构强度，建议采用铝合金空心管材加工；支撑框架3左右的竖向滑槽31内壁应尽可能加工得光滑，可以涂上适量机械用润滑油。
45.本发明通过刚性轴10的竖直运动带动支撑框架3运动，支撑框架3的竖向滑槽31与导轨4可以相对运动，保证节段实验模型在大振幅竖向和扭转两自由度振动的过程中，支撑框架3只能在相对于风攻角的竖直方向的运动而不会发生扭转运动，从而保证竖向弹簧11仅发生竖向伸缩变形，而不发生侧向倾斜，且只提供竖向刚度不提供扭转刚度。横向弹簧12安装在固定板8上，在支撑框架3运动时与其保持相对静止，刚性轴10转动时带动转动传递件6扭转，进而使柔性连接件7沿着导向圆弧件5和微型滑轮9位移。横向弹簧12在柔性连接件7和微型滑轮9的作用下仅会随柔性连接件7伸缩变形，从而只提供扭转刚度。假设每根竖向弹簧11的刚度为k1，每根横向弹簧12的刚度为k2，导向圆弧件5的半径为r，则整个自由振动装置的竖向刚度为4k1，扭转刚度为8k2·
r2，可以灵活调整k1，k2取得不同的竖向刚度与扭
转刚度。
46.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。