一种双层桥梁抖振荷载多天平同步分离测量装置及方法

本发明涉及桥梁抖振荷载测量，具体为一种双层桥梁抖振荷载多天平同步分离测量装置及方法。

背景技术：

1、大跨度双层桥梁具有多通道、节省桥位资源的优点，已成为我国桥梁建造的新趋势，且正朝着更大跨径发展。在此背景下，其对风效应的敏感程度加剧，风致振动问题将更为突出。抖振是大气紊流风引起的随机强迫振动，主要引起构件局部疲劳，过大的抖振响应还会影响行人、行车的安全性，准确把握双层桥梁的抖振性能对于提升其抗风设计水平尤为重要。而抖振荷载及其空间分布特性是进行抖振响应分析的前提，也是影响计算精度的关键因素。

2、对于双层桥梁而言，其上、下层桥面大多采用板式体系(如正交异性钢桥面板、扁平钢箱梁)，两者之间通过桁架梁连接。因此，双层桥面主梁可视为上桥面系、下桥面系、桁架三组构件的组合。这种结构外形导致其抖振力空间分布十分特殊：(1)气流在上、下层桥面形成各自的绕流场，并在两层桥面之间的区域相互干扰；(2)桥面系、桁架的气动外形和尺寸不同，抖振力受紊流风空间不均匀分布的影响程度不同。上述两方面的因素使得双层桥面主梁整体及其三组构件的抖振荷载呈现出复杂且差异明显的三维空间分布特性。

3、然而，现有的抖振荷载测量试验装置及方法功能单一，适用范围窄。例如：节段模型测压试验方法难以准确得到作用于双层桥面主梁桁架系上的抖振力；常用的单天平测力试验方法仅能得到节段模型的整体一维抖振荷载，无法考虑抖振荷载的空间分布情况；而已有的双天平测力试验方法尽管可以考虑整体抖振荷载的空间分布特性，但却无法得到双层桥面主梁三组构件各自的抖振荷载。由此可见，以往的抖振力风洞试验测量方法无法准确描述双层桥面主梁抖振力的空间分布特性，由此导致其抖振荷载评估存在很大的不确定性，这已成为大跨度双层桥梁抖振响应精细化研究的瓶颈，限制了此类桥梁抗风设计水平的进一步提升。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种双层桥梁抖振荷载多天平同步分离测量装置及方法，具备不仅能够对双层桥梁节段模型各组合构件分别进行抖振力测量，还能在考虑紊流三维空间分布效应和层间气动干扰效应耦合作用下准确描述抖振力的空间分布特性，且可以根据测得的各组合构件在振动过程中的抖振力参数，通过该方法计算出两波数气动导纳函数，便于更加准确反映成桥梁各个节段的风致振动作用，使获得的实际由风荷载引起的气动力结果更加精确的优点，解决了上述技术问题。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双层桥梁抖振荷载多天平同步分离测量装置，包括同步分离测力试验装置、测试梁段、补偿模型、翼形支杆、固定垫片、端板系统、试验台和翼形整流罩；

5、所述测试梁段包括上桥面板、桁架和下桥面板，所述上桥面板与下桥面板由桁架进行连接；

6、所述补偿模型包括相同的上桥面板、桁架和下桥面板，且与所述测试梁段连接，使测试梁段与补偿模型相互保持1mm间距的不接触状态，用于跨向补偿；

7、所述试验台包括刚性横梁、立板和旋转螺钉，所述翼形支杆上端连接所述补偿模型，下端通过所述固定垫片与所述试验台连接；

8、所述端板系统包括端板、竖向连接杆和底部垫片，所述底部垫片呈l型，所述底部垫片水平的一端连接在刚性横梁上并固定，竖直的一端其侧面与竖向连接杆连接，竖向连接杆上端连接到端板下端；

9、所述同步分离测力试验装置包括传力支杆、固定支杆、传力垫板、支杆固定垫板、天平固定垫板、法兰片和高频动态天平，所述传力支杆设置有4根，且分为外侧传力支杆和内侧传力支杆，对称地设置在所述测试梁段两侧，所述外侧传力支杆上端连接所述上桥面板，下端通过所述支杆固定垫板连接到所述传力垫板上，所述内侧传力支杆上端连接所述桁架，下端通过所述支杆固定垫板连接到所述传力垫板上，用于传递风洞试验时所述测试梁段的抖振荷载，所述天平固定垫板固定在所述高频动态天平下方，用于支撑和稳定所述高频动态天平；

10、所述翼形整流罩安装于高频动态天平和传力支杆表面。

11、优选的，所述高频动态天平共三个，分别为第一高频动态天平、第二高频动态天平和第三高频动态天平，所述第一高频动态天平测试下桥面板上的气动力参数，所述第二高频动态天平测试桁架上的气动力参数，所述第三高频动态天平测试上桥面板上的气动力参数，所述传力垫板共三块，所述高频动态天平上端中心位置分别连接三个所述传力垫板。

12、优选的，所述固定支杆设置有两组，每组四根，均通过天平固定垫板不接触地布置在所述高频动态天平的四周，所述最上方所述固定支杆下端固定在所述传力垫板上，上端与所述下桥面板相连接，其余所述固定支杆安装于天平固定垫板之间。

13、优选的，所述刚性横梁上设有滑槽，所述同步分离测力试验装置安装在所述滑槽上，可与所述滑槽滑动配合。

14、优选的，所述立板两侧设有旋转螺钉，所述旋转螺钉与所述刚性横梁栓接。

15、优选的，所述竖向连接杆与所述端板连接，所述竖向连接杆上安装有用于调整所述端板高度的滑动机构。

16、一种双层桥梁抖振荷载多天平同步分离测量方法，包括以下步骤：

17、步骤一、根据不同的来流特性，确定试验台的试验位置，搭设好试验台之后，依次连接好所有天平固定垫板、高频动态天平、固定支杆、传力支杆、测试梁段和补偿模型，为减小高频动态天平和支杆系统所受风荷载对试验结果的影响，在高频动态天平和传力支杆表面安装翼形整流罩；

18、步骤二、将高频动态天平安装于支架系统的刚性横梁上，通过传力支杆与上部的测试梁段相连接，测试梁段的两端补偿模型通过翼形支杆支撑于刚性横梁上，在水平和竖向方向与测试梁段保持一致，从而组合为完整的试验模型，补偿模型端部安装端板，以避免气动绕端部流动并模拟主流在模型表面的二维流动条件，此外，可通过调节试验台顶部滑槽板和侧面连接处旋转螺钉来旋转刚性横梁，以实现不同攻角的模拟；

19、步骤三、通过设置不同展长的测试梁段1和补偿模型2，使用翼形支杆4和固定垫片5对其进行连接和组合在试验台7上，通过改变两个测试梁段1的间距，并与相应的补偿模型2组合，可以得出两个节段在不同跨向间距δy下的抖振力参数；

20、步骤四、将测试梁段视为上桥面板、桁架和下桥面板共三部分构件的组合，为测试两个双层桥梁梁段共六部分构件的抖振力点谱及相干函数，采用两组六个高频动态天平通过传力装置对间距为δy的两个测试梁段共六部分构件进行同步采集，安装完成所有构件后，即可进行风洞试验；

21、步骤五、试验完成后，对试验数据进行处理以得到测试梁段上的三维抖振荷载。

22、优选的，所述步骤五中对试验数据进行处理以得到测试梁段上三维抖振荷载的方法如下：

23、a1、对于两个间距为δy、长度的测试梁段，通过两组六个高频动态天平进行测量直接得到两个模型的抖振升力时程l(t)、抖振阻力时程d(t)和抖振力时程m(t)；

24、a2、分别对两个测试梁段1的各抖振力时程求自谱，可得到其各自的抖振力点谱其中，m＝l,d,m分别表示抖振升力、阻力和力矩，上标sg表示梁段，k1表示顺流向波数；

25、a3、先对两个测试梁段的各抖振力时程作互谱，可得到两个测试梁段在间距δy下的相干函数然后采用经验相干函数模型对所述测试梁段的相干函数实测值进行拟合，参见公式一和公式二：

26、

27、

28、其中，m＝(l,d,m)分别表示抖振升力、阻力及升力矩；c1,c2,c3为无量纲的拟合参数，为风场的紊流积分尺度；

29、a4、通过下方公式三可得到两波数抖振力相干函数，其中k2表示模型长度方向波数：

30、

31、优选的，所述a1-a4步骤得到长度为l的测试梁段上的抖振力参数，为得到沿整个模型跨向方向分布的三维抖振荷载，需通过将长度为l的测试梁段上抖振力参数等效于展长为0的单位长度薄片上的抖振力参数，其方法如下：

32、b1、通过理论推导得到测试梁段抖振力相干函数和展长为0的单位长度薄片抖振力相干函数的关系为公式四：

33、

34、其中，sinc2()是辛格函数；上标eq表示展长为0的单位长度薄片，为展长为0的单位长度薄片抖振力相干函数的拟合参数，二者的关系式如公式五和公式六所示：

35、

36、

37、其中，m＝(l,d,m)分别表示抖振升力、阻力及升力矩；b1,b2,b3为无量纲的拟合参数；

38、在公式四中，展长为0的单位长度薄片的两波数相干函数可根据公式七得到：

39、

40、b2、将公式二代入公式四和公式五中，从而通过高频动态天平同步测力直接得到的两个测试梁段间的相干函数计算得到展长为0的单位长度薄片相干函数拟合参数中的待定参数；

41、b3、通过理论推导，可得到测试梁段抖振力点谱和展长为0的单位长度薄片抖振力点谱之间的数学关系，如公式八所示：

42、

43、将在步骤a2所得的测试梁段抖振力点谱步骤b2中得到的展长为0的单位长度薄片相干函数拟合参数代入公式八，通过简单计算即可得到展长为0的单位长度薄片抖振力点谱

44、优选的，所述整个测试梁段跨向方向分布的三维抖振荷载，表示为展长为0的单位长度薄片抖振力点谱与展长为0的单位长度薄片抖振力两波数相干函数乘积的形式，即公式九：

45、

46、其中，表示抖振升力、阻力及力矩的两波数谱，继而可通过公式九，利用步骤b1所得到两波数相干函数和步骤b3所得到的展长为0的单位长度薄片抖振力点谱计算出沿整个测试梁段跨向方向分布的三维抖振荷载。

47、与现有技术相比，本发明提供了一种双层桥梁抖振荷载多天平同步分离测量装置及方法，具备以下有益效果：

48、1.本发明通过间隔设置俩组共6个高频动态天平对两个桥梁节段模型各组合构件(测试段模型)进行抖振力测量，并在两个被测桥梁节段模型俩侧设置了测试段不同间距和不同长度的补偿模型，使测试梁段与补偿模型相互保持1mm间距的不接触状态，以测量不同跨向间距的分布情况，且能更准确分析出两个桥梁节段模型各组合构件的抖振力特性，更重要的是还能够考虑紊流三维空间分布效应，提高该类型试验的精度与可靠性。

49、2.本装置在横板上设有纵向滑槽装置，可供高频动态天平与竖向支杆沿跨向移动，以便调整测力段模型的长度及其间距；试验台两侧立板从上至下设置滑孔，可以上下滑动以调节试验台高度，以调整测试平台高度用于在不同工况下的情况，使该测力装置能满足不同工况下的风洞试验。

50、3.本发明避免了传统试验装置进行桥梁节段模型测力试验时只能测得整体模型抖振力的局限性。在进行试验时，可将双层桥梁节段模型视为上桥面板，桁架，下桥面板3部分构件的组合，该3部分构件通过传力装置分别与3个高频动态天平相连接，实现分别测力，且固定支杆不接触地设置在天平的四周以固定天平的位置，防止其失稳影响测力结果，从而能够有效地考虑到双层桥梁的层间气动干扰作用，更准确地反应出双层桥面结构的抖振力空间分布特性。

51、4.基于本发明所提供的理论公式和数据处理方法，避免了传统测力试验方法无法得到双层桥面主梁三组构件各自的抖振力荷载的局限性，且突破了传统试验方法只能得到一波数抖振荷载的限制。本发明能够得到双层桥梁节段模型三组构件各自的三维抖振荷载，从而更准确地描述双层桥面主梁抖振力的空间分布特性。

52、5.相比于传统测力装置，本装置在高频动态天平和竖向支杆外部安装翼形整流罩，使试验时只有桥梁节段模型直接承受风荷载。同时，利用翼形断面不产生明显的流动分离和漩涡脱落的特点，能够大大减小高频动态天平和竖向支杆所受风荷载对试验结果的影响。

53、6.刚性横梁两端安装有转动螺钉，使其横板可绕安装螺钉转动，实现可以在可调节范围内任意调节风攻角的目的，从而更方便模拟各种工况下的风洞测力试验。