可自由调节高度的节段模型静态-动态试验装置

1.本发明涉及节段模型试验技术领域，尤其涉及一种可自由调节高度的节段模型静态-动态试验装置。


背景技术：

2.近年来，随着越来越多跨复杂山区峡谷地形区及跨海大桥的兴建，大跨度及超大跨度的桥梁备受设计者的青睐。而桥梁跨度的增加导致结构刚度及阻尼下降，使得这类结构更易受外界环境的影响。对于跨山区峡谷的桥梁，由于地形的复杂性，通常来流风攻角相较于开阔平坦地貌上的桥梁而言要大得多，使得这类桥梁主梁气动特性更易受周围地形的影响，且这种影响与主梁下部净空也有很大关系。对跨海大桥而言，其所处环境通常面临恶劣风、浪海况，致使桥梁结构受力更为不利。跨海大桥主梁动力特性也极易受复杂海浪的影响，且这种影响与主梁下部净空的大小也密切相关
3.现有的节段模型试验装置通常置于实验室洞壁外，采用洞壁开孔的方式将外侧支架与内部的模型连接起来，以减小装置的存在对试验环境的影响，但这种设计使得模型难以实现竖向高度的大幅度调节。传统节段模型静态试验和动态试验通常采用独立的两套装置，增大了试验成本及试验空间，降低了试验效率。在兼具风洞与水槽的实验室中进行节段模型静态试验和动态试验时，需要保证测力设备及弹簧系统受风场的干扰尽可能小，且要尽可能减小试验装置的存在对模型附近风场及下部波浪场的干扰。为使试验设计更加符合实际情况并保证试验结果的准确性，相应的试验装置还有待进一步设计、优化。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种可自由调节高度的节段模型静态-动态试验装置，以解决现有技术的不足。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种可自由调节高度的节段模型静态-动态试验装置，包括两个夹持装置，两个夹持装置左右对称的设置在节段模型的两端；所述的夹持装置，包括固定在实验室两侧洞壁上的竖向滑道，竖向滑道内嵌有滑块，滑块与可伸缩的水平圆钢管连接为一体，可实现水平圆钢管沿竖向高度的调节，水平圆钢管的末端连接有圆钢管法兰盘，圆钢管法兰盘与连接测力传感器非测力端的转接法兰盘通过螺栓连接；测力传感器测力端与测力法兰盘通过螺栓连接，测力法兰盘与节段模型两端伸出的圆钢管末端焊接的模型法兰盘通过螺栓连接；
6.节段模型两端分别设置有静态端板，静态端板上设有端板开槽，便于静态端板穿过节段模型两端伸出的圆钢管，静态端板在四个角处分别设有螺栓孔，便于四根螺杆的一端穿过并通过螺帽固定，静态端板仅由四根螺杆支撑，且静态端板与节段模型两端面及节段模型两端伸出的圆钢管均不接触；四根螺杆的另一端焊接有半圆钢片，半圆钢片上设有螺栓孔，水平圆钢管上焊接有四个u型卡座，u型卡座上设有螺栓孔，螺杆通过螺栓与u型卡座连接并可以实现螺杆的转动与固定；静态端板通过螺栓连接传感器套筒，传感器套筒将
测力传感器及两端的法兰盘和节段模型两端伸出的圆钢管包围在内，使其不受外界试验条件的干扰；
7.或者，将测力传感器、四根螺杆及静态端板去掉后，在节段模型两端贴合固定比静态试验用的静态端板尺寸更小的动态端板；模型法兰盘与双层滑道悬挂件通过螺栓连接，双层滑道悬挂件通过上下四根弹簧悬挂在弹簧悬挂支架上，弹簧悬挂支架通过螺栓与圆钢管法兰盘连接；动态试验用的弹簧外围套上透明的圆筒，圆筒上下开孔分别固定在弹簧悬挂支架及双层滑道悬挂件上，确保与弹簧在试验过程中不接触。
8.进一步地，所述竖向滑道可以采用多种方式固定在实验室两侧洞壁上，其内部嵌有滑块，滑块可以上下滑动并可以固定在任意高度位置，满足节段模型下部任意净空的调节。
9.进一步地，所述水平圆钢管设计为可伸缩形式，以便适应不同长度的节段模型，且这种设计方式也便于将静态试验装置改为动态试验装置，这一设计的主要作用为伸缩段可以弥补动态试验装置中弹簧悬挂支架与静态试验装置中测力传感器及两端的法兰盘之间的尺寸差异。
10.进一步地，所述圆钢管法兰盘、转接法兰盘、测力法兰盘、模型法兰盘上均开有四个圆弧形孔，用于穿过螺栓，当两个相对的法兰盘相对转动时，即可以实现静态-动态试验节段模型相对来流风攻角的调节，保证该试验装置可以实现大风攻角来流下的节段模型静态-动态试验测试。
11.进一步地，所述传感器套筒为圆筒形或八边形的并带有底座的套筒，传感器套筒制作时分成对称的两部分方便安装，且套筒底座上开有螺栓孔，可以将套筒固定在节段模型两头的静态端板上。传感器套筒的直径宜为转接法兰盘或测力法兰盘最大尺寸的1.5倍左右，使得节段模型静态试验时，测力传感器与风场隔离，保证测试结果的准确性。
12.进一步地，所述螺杆由直螺杆弯折而成，在靠近静态端板的一段为水平设置，便于穿过静态端板上的螺栓孔，其余部分为倾斜设置，便于过渡到位于水平圆钢管上的u型卡座处，单侧支架上的四根螺杆在静态端板与u型卡座间呈发散状(辐射状)设置，四根螺杆可以根据静态端板的尺寸及u型卡座距静态端板的距离设置成任意长度，并可以设为任意发散(辐射)角度，来满足u型卡座到静态端板之间四根螺杆的合理过渡。
13.进一步地，所述弹簧悬挂支架包括上部滑道、下部滑道及支架法兰盘，支架法兰盘通过螺栓与圆钢管法兰盘连接，所述双层滑道悬挂件设计为上下面均为滑道且中心位置为法兰盘的形式，法兰盘通过螺栓与模型法兰盘连接，上部滑道和下部滑道及双层滑道内部均设有带挂环的滑块，挂环方便悬挂弹簧挂钩，滑块可以在滑道内自由滑动并可以固定，以实现动态试验时弹簧相对节段模型中心轴位置的调节，且挂环可以设计为不同长度或者搭配其它转接件以适应不同长度的弹簧，方便调节节段模型的振动频率。
14.进一步地，所述节段模型动态试验时双层滑道悬挂件的尺寸和材质需要根据节段模型的质量、质量惯性矩及扭转频率和竖弯频率的比值确定。
15.进一步地，所述静态端板和动态端板均采用预先在端板上预留开槽的方式，待端板通过开槽穿过节段模型两端的钢管后，再将预先切掉的开槽部分补装上去用胶带等方式固定，且端板可以采用亚克力板、铝板、木板等材质制作。
16.进一步地，所述透明的圆筒上下开孔分别固定在弹簧悬挂支架及双层滑道悬挂件
上，使弹簧隔绝于外部环境，避免对弹簧阻尼及刚度造成影响。且圆筒直径比弹簧外径要大1-1.5倍左右，以保证在模型竖向和扭转振动时，弹簧不会碰到圆筒内壁，保证试验的有效性。
17.进一步地，所述节段模型可以是桥梁节段模型，也可以是多种形式的建筑物或水工结构物节段模型，如高耸建筑物、跨山区峡谷输电线塔架、山区风力发电机、海上风力发电机、海上石油钻井平台结构构件等，本发明仅以桥梁节段模型为例进行说明，且静态试验装置中节段模型与动态试验装置中节段模型为相同模型。
18.进一步地，所述试验装置可以用在纯风洞中，也可以用在底部带有水槽的风洞浪槽实验室中，且纯风洞地面上可以放置粗糙元或其它地形障碍物模型用来研究地面效应对节段模型静态和动态特性的影响，当用于风洞浪槽实验室时，底部的水槽可以由造波机造出多种类型的规则波浪和不规则波浪，用来研究模型下方波浪场对节段模型静态和动态特性的影响，当在以上两种情形下调节节段模型竖向高度时，可以研究节段模型下部净空的变化对节段模型静态和动态特性的影响。
19.本发明具有如下有益效果：
20.本发明为一种可自由调节高度的节段模型静态-动态试验装置，可实现不同节段模型下方净空时，模型下方为不同复杂地形、不同复杂海洋环境下的静态测试和动态测试，该试验装置适用范围广。
21.本发明为一种可实现节段模型静态-动态试验功能的试验装置，这里的“静态-动态试验功能”指的是在静态试验装置的基础上经简单改造即可用于动态试验，且静态试验装置与动态试验装置之间可相互自由调换。相比于传统节段模型静态试验和动态试验通常采用独立的两套装置来讲，本发明的试验装置将会极大地节约试验成本，节省试验空间，提高试验效率，且可操作性更强。
22.在本发明试验装置中，竖向滑道可以采用多种方式固定在实验室两侧洞壁上，其内部嵌有滑块，滑块可以上下滑动并可以固定在任意高度位置，节段模型与滑块同步运动，满足节段模型下部任意净空的调节，该装置功能多，且操作方便。
23.本发明的试验装置由于采用在实验室两侧洞壁上固定竖向滑道来支撑整套装置，对节段模型周围风场干扰较小，且这种设置方式为节段模型下方留出了足够的空间，可用于大面积摆放各种地形障碍物。本发明的试验装置也可以直接用于风洞浪槽实验室中进行试验，当用于风洞浪槽实验室时，该装置设计方式避免了竖向支架的存在对波浪场的干扰，该装置设计合理，实用性强。
24.本发明的试验装置可以实现节段模型在不同相对来流风攻角下的测试，且风攻角调节范围大，易实现大风攻角来流下节段模型静态和动态测试。
25.本发明的试验装置适用于多种尺寸及多种类型的节段模型，可以是桥梁节段模型，也可以是多种形式的建筑物或水工结构物节段模型，如高耸建筑物、跨山区峡谷输电线塔架、山区风力发电机、海上风力发电机、海上石油钻井平台等的结构构件。
26.本发明的试验装置在静态试验时通过改变螺杆的长度及发散(辐射)角度，适用于多种尺寸的静态端板。在动态试验时适用于多种长度的弹簧，且弹簧相对节段模型中心轴的距离可以自由调整，方便调整节段模型振动频率。
27.本发明的试验装置在静态试验时，采用圆筒形或八边形的并带有底座的传感器套
筒使得测力传感器等与风场隔离，保证测试结果的准确性。在动态试验时，采用透明的圆筒上下开孔分别固定在弹簧悬挂支架及双层滑道悬挂件上，使弹簧隔绝于外部环境，避免对弹簧阻尼及刚度造成影响，保证试验的有效性。
28.本发明结构设计合理，操作方便，与传统的节段模型风洞试验装置相比，本发明的装置仅增加了竖向滑道、水平圆钢管、螺杆和测力传感器等小部件，对风场的干扰较小。
附图说明
29.图1是本发明一种可自由调节高度的节段模型静态-动态试验装置中的静态试验装置正视图；
30.图2是图1之a-a面剖视图；
31.图3是图1之b-b面剖视图；
32.图4是图1之测力传感器套筒的详图；
33.图5是图1之圆钢管法兰盘(模型法兰盘)和测力法兰盘(转接法兰盘)的详图；
34.图6是图1之用于支撑静态端板的螺杆的详图；
35.图7是本发明一种可自由调节高度的节段模型静态-动态试验装置中的动态试验装置正视图；
36.图8是图7之c-c面剖视图；
37.图9是图7之弹簧悬挂支架的详图。
38.图中：1-竖向滑道；2-水平圆钢管；3-圆钢管法兰盘；4-测力传感器；5-转接法兰盘；6-测力法兰盘；7-模型法兰盘；8-节段模型；9-静态端板；10-螺杆；11-传感器套筒；12-端板开槽；13-半圆钢片；14-u型卡座；15-弹簧悬挂支架；16-动态端板；17-弹簧；18-双层滑道悬挂件；19-圆筒。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“中心”、“外侧”、“内部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.参照图1-9，本发明提供的一种实施例：一种可自由调节高度的节段模型静态-动态试验装置，包括两个夹持装置，两个夹持装置左右对称的设置在节段模型8的两端；所述的夹持装置，包括固定在实验室两侧洞壁上的竖向滑道1，竖向滑道1内嵌有滑块，滑块与可
伸缩的水平圆钢管2连接为一体，可实现水平圆钢管2沿竖向高度的调节，水平圆钢管2的末端连接有圆钢管法兰盘3，圆钢管法兰盘3与连接测力传感器4非测力端的转接法兰盘通5过螺栓连接；测力传感器4测力端与测力法兰盘6通过螺栓连接，测力法兰盘6与节段模型8两端伸出的圆钢管末端焊接的模型法兰盘7通过螺栓连接；
42.如图1、图2和图3所示，节段模型8两端分别设置有静态端板9，静态端板9上设有端板开槽12，便于静态端板9穿过节段模型8两端伸出的圆钢管，静态端板9在四个角处分别设有螺栓孔，便于四根螺杆10的一端穿过并通过螺帽固定，静态端板9仅由四根螺杆10支撑，且静态端板9与节段模型8的两端面及节段模型8两端伸出的圆钢管均不接触；四根螺杆10的另一端焊接有半圆钢片13，半圆钢片13上设有螺栓孔，如图6所示，水平圆钢管2上焊接有四个u型卡座14，u型卡座14上设有螺栓孔，螺杆10通过螺栓与u型卡座14连接并可以实现螺杆的转动与固定；静态端板9通过螺栓连接传感器套筒11，传感器套筒11将测力传感器4及两端的法兰盘和节段模型8两端伸出的圆钢管包围在内，使其不受外界试验条件的干扰；
43.或者，如图7所示，将测力传感器4、四根螺杆10及静态端板9去掉后，在节段模型8两端贴合固定比静态试验用的静态端板9尺寸更小的动态端板16；如图8所示，模型法兰盘7与双层滑道悬挂件18通过螺栓连接，双层滑道悬挂件18通过上下四根弹簧17悬挂在弹簧悬挂支架15上，弹簧悬挂支架15通过螺栓与圆钢管法兰盘3连接；动态试验用的弹簧17外围套上透明的圆筒19，圆筒19上下开孔分别固定在弹簧悬挂支架15及双层滑道悬挂件16上，确保与弹簧17在试验过程中不接触。
44.所述竖向滑道1可以采用多种方式固定在实验室两侧洞壁上，其内部嵌有滑块，滑块可以上下滑动并可以固定在任意高度位置，满足节段模型8下部任意净空的调节。
45.所述水平圆钢管2设计为可伸缩形式，以便适应不同长度的节段模型8，且这种设计方式也便于将静态试验装置改为动态试验装置，这一设计的主要作用为伸缩段可以弥补动态试验装置中弹簧悬挂支架15与静态试验装置中测力传感器4及两端的法兰盘之间的尺寸差异。
46.如图5所示，所述圆钢管法兰盘3、转接法兰盘5、测力法兰盘6、模型法兰盘7上均开有四个圆弧形孔，用于穿过螺栓，当两个相对的法兰盘相对转动时，即可以实现静态-动态试验节段模型8相对来流风攻角的调节，保证该试验装置可以实现大风攻角来流下的节段模型8静态-动态试验测试。
47.如图4所示，所述传感器套筒11为圆筒形或八边形的并带有底座的套筒，传感器套筒11制作时分成对称的两部分方便安装，且套筒底座上开有螺栓孔，可以将套筒11固定在节段模型两头的静态端板9上。传感器套筒11的直径宜为转接法兰盘5或测力法兰盘6最大尺寸的1.5倍左右，使得节段模型8静态试验时，测力传感器4与风场隔离，保证测试结果的准确性。
48.所述螺杆10由直螺杆弯折而成，在靠近静态端板9的一段为水平设置，便于穿过静态端板9上的螺栓孔，其余部分为倾斜设置，便于过渡到位于水平圆钢管2上的u型卡座14处，单侧支架上的四根螺杆10在静态端板9与u型卡座14间呈发散状(辐射状)设置，四根螺杆10可以根据静态端板9的尺寸及u型卡座14距静态端板9的距离设置成任意长度，并可以设为任意发散(辐射)角度，来满足u型卡座14到静态端板9之间四根螺杆10的合理过渡。
49.如图8和图9所示，所述弹簧悬挂支架15包括上部滑道、下部滑道及支架法兰盘，支
架法兰盘通过螺栓与圆钢管法兰盘3连接，所述双层滑道悬挂件16设计为上下面均为滑道且中心位置为法兰盘的形式，法兰盘通过螺栓与模型法兰盘7连接，上部滑道和下部滑道及双层滑道内部均设有带挂环的滑块，挂环方便悬挂弹簧17的挂钩，滑块可以在滑道内自由滑动并可以固定，以实现动态试验时弹簧17相对节段模型8中心轴位置的调节，且挂环可以设计为不同长度或者搭配其它转接件以适应不同长度的弹簧，方便调节节段模型的振动频率。
50.所述节段模型8动态试验时双层滑道悬挂件16的尺寸和材质需要根据节段模型8的质量、质量惯性矩及扭转频率和竖弯频率的比值确定。
51.所述静态端板9和动态端板16均采用预先在端板上预留开槽的方式，待端板通过开槽穿过节段模型8两端的钢管后，再将预先切掉的开槽部分补装上去用胶带等方式固定，且端板可以采用亚克力板、铝板、木板等材质制作。
52.所述透明的圆筒19上下开孔分别固定在弹簧悬挂支架15及双层滑道悬挂件16上，使弹簧17隔绝于外部环境，避免对弹簧17阻尼及刚度造成影响。且圆筒19直径比弹簧17外径要大1-1.5倍左右，以保证在模型竖向和扭转振动时，弹簧17不会碰到圆筒19内壁，保证试验的有效性。
53.所述节段模型8可以是桥梁节段模型，也可以是多种形式的建筑物或水工结构物节段模型，如高耸建筑物、跨山区峡谷输电线塔架、山区风力发电机、海上风力发电机、海上石油钻井平台结构构件等，本发明仅以桥梁节段模型为例进行说明，且静态试验装置中节段模型8与动态试验装置中节段模型8为相同模型。
54.所述试验装置可以用在纯风洞中，也可以用在底部带有水槽的风洞浪槽实验室中，且纯风洞地面上可以放置粗糙元或其它地形障碍物模型用来研究地面效应对节段模型8静态和动态特性的影响，当用于风洞浪槽实验室时，底部的水槽可以由造波机造出多种类型的规则波浪和不规则波浪，用来研究模型8下方波浪场对节段模型8静态和动态特性的影响，当在以上两种情形下调节节段模型8竖向高度时，可以研究节段模型8下部净空的变化对节段模型8静态和动态特性的影响。
55.工作原理：
56.在纯风洞实验室中进行节段模型静态试验时，首先在风速入口处启动风机，风速入口会产生与节段模型正交的侧向风，风荷载会作用在节段模型上，节段模型上的风荷载会传到测力传感器4上。静态试验时节段模型8两端静态端板9的作用是保证节段模型在试验过程中始终处于二维流场中，静态端板9始终与节段模型端部保留有一定的间隙且与节段模型9两端伸出的圆钢管始终不接触，保证测力传感器4测得的数据为单独节段模型8受到的风荷载。
57.当需要测试不同来流风攻角下节段模型8的受力情况时，需要先将圆钢管法兰盘3和转接法兰盘5之间的螺栓拧松后，调节圆钢管法兰盘3和转接法兰盘5的相对角度，具体的角度值可以通过法兰盘上预先标记的刻度盘读取或者利用电子水平仪贴合放置在法兰盘的平面或者节段模型8的平面上来读取，或者采用其它方式获取风攻角读数均可。待调至目标风攻角后，再将圆钢管法兰盘3和转接法兰盘5之间的螺栓拧紧即可。
58.当需要采用该试验装置依次测试不同长度及类型的节段模型8的受力情况时，可以通过调整水平圆钢管2的伸缩段以适应不同长度的节段模型，并且可以通过改变螺杆10
的长度及发散(辐射)角度，以适用于与多种宽度的节段模型8相搭配的静态端板9。
59.在纯风洞实验室中进行节段模型动态试验时，先将静态试验装置中的测力传感器4、螺杆10及静态端板9去掉后，在节段模型8两端贴合固定比静态试验用的静态端板9尺寸更小的动态端板16，动态试验时节段模型8两端动态端板16的作用是保证节段模型在试验过程中始终处于二维流场中。模型法兰盘7与双层滑道悬挂件18通过螺栓连接，双层滑道悬挂件18通过上下四根弹簧17悬挂在弹簧悬挂支架15上，弹簧悬挂支架15通过螺栓与圆钢管法兰盘3连接。动态试验用的弹簧17外围套上透明的圆筒19，圆筒19上下开孔分别固定在弹簧悬挂支架15及双层滑道悬挂件16上，确保与弹簧17在试验过程中不接触。开动实验室风机后，便可进行节段模型8的动态试验，如颤振和涡振试验等。
60.当需要进行不同来流风攻角下节段模型8的动态试验时，需要先将双层滑道悬挂件18中心位置的法兰盘和模型法兰盘7之间的螺栓拧松后，调节双层滑道悬挂件18中心位置的法兰盘与模型法兰盘7之间的相对角度，待调至目标风攻角后，再将双层滑道悬挂件18中心位置的法兰盘与模型法兰盘7之间的螺栓拧紧即可。
61.当需要调节节段模型振动频率时，可以通过调节弹簧悬挂支架15上的上部滑道和下部滑道中的滑块及双层滑道悬挂件18中的滑块在滑道内自由滑动来改变弹簧17相对节段模型中心轴位置，进而改变节段模型振动频率。当需要替换为其它长度的弹簧17时，可以将挂环设计为不同长度或者搭配其它转接件以适应不同长度的弹簧17，方便调节节段模型振动频率。
62.当需要进行不同净空下节段模型8的静态试验和动态试验时，需要将竖向滑道1中的滑块滑动以带动节段模型8移动到指定净空高度位置，之后将竖向滑道1中的滑块固定住即可。
63.当需要进行不同类型复杂山区峡谷地形区条件下的节段模型静态试验和动态试验时，在节段模型下方的光滑地面上摆放预先制作好的任意地形模型即可，后续的操作步骤与无地形模型时相同。
64.在风洞与水槽联合实验室中进行节段模型静态试验和动态试验时，除增加了波浪场外，其余工作过程和工作原理与纯风洞实验室中进行的节段模型静态试验和动态试验一致。对于波浪场，可以由实验室造波机生成多种类型的规则波浪和不规则波浪。
65.最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。