【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海上土木工程安全，具体涉及到一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统。
技术介绍
1、跨海桥梁相较于传统的陆基桥梁，桥址处的环境更为复杂，往往面临强风、巨浪、流、海啸、地震等自然灾害的共同作用，相关研究表明多种自然灾害的耦合作用往往会使得海洋结构处于更危险的状态。风、浪是跨海桥梁在服役期间最主要的外界荷载，台风期间海平面上升、桥梁净空降低，极端波浪与跨海桥梁周围风场的耦合作用增强，显著影响桥梁的气动荷载。因此，研究跨海桥梁在风浪联合作用下的气动荷载特性变得至关重要，研究底部波浪边界对桥梁节段模型气动三分力系数、颤振导数的影响机制是分析桥梁气动荷载的基础。
2、由于跨海桥梁所处的环境多场耦合作用显著，在分析其气动荷载时，需要关注风场、波浪场之间的耦合作用。传统的方法通常会忽略底部波浪边界对风场的影响，无论是采用桥梁节段模型风洞试验或是cfd数值模拟，通常都将波浪边界简化成平面，这使得现有的研究结论在应用于跨海桥梁时存在一些局限性。
技术实现思路
1、基于以上不足之处，本专利技术提供了一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，以解决传统分析跨海桥梁的气动荷载特性时，往往直接忽略底部波浪边界对风场的影响，使得现有的研究结论应用于跨海桥梁时存在一些局限性的问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，包括了桥梁节段模型、两侧带横梁的框架、三种不同类型的夹持装置、风浪耦合场
3、所述的风浪耦合场生成装置包括回流或直流风洞，摇板或推板造浪机和水槽，风浪耦合场生成装置生成涉风场和波浪场，利用回流或直流风洞通过控制风机转速调节试验段的风速，通过添加粗糙元及尖劈调节生成风场的湍流度；利用摇板或推板造波机通过控制其输入的水动力参数生成所需要的规则波及不规则波,试验中先启动风机，待试验段的风场稳定后，再开启造波机生成规则波或不规则波浪，造波机产生的波浪场与风生波浪场叠加后开始试验，试验中利用水槽尾部的消波段以及造波机的主动消波方式降低反射波对于试验结果的影响；通过三种不同类型的夹持装置分别将桥梁节段模型夹持在框架上，用于进行三分力系数试验、扭转强迫振动试验和竖弯强迫振动试验，进而完成对桥梁节段模型气动三分力系数、颤振导数的测量，
4、所述的桥梁节段模型上安装了加速度传感器，用于获取桥梁节段模型的强迫振动数据，桥梁节段模型正前方布置了风速测量设备，用于获取桥梁节段模型处的来流风速数据；所述的气动荷载测量装置采用压力扫描阀，用于获取不同波浪相位下桥梁节段模型上的压力分布，所述的桥梁节段模型内部为空心，其内部安装有肋板，所述的桥梁节段模型的上、下表面沿展向中心线开有多个测压孔，用于设置压力扫描阀的测点，在桥梁节段模型的左、右两侧设有端板，用于保证桥梁节段模型所处风场的稳定性。
5、进一步的，气动三分力系数试验采用的夹持装置包括高精度旋转滑台、两组竖向连接件、两组u形转换接头和锁紧装置，所述的桥梁节段模型展向的两端分别通过u形转换接头与高精度旋转滑台连接，所述的高精度旋转滑台的两侧分别通过竖向连接件与框架的两侧横梁固定连接，通过调整高精度旋转滑台的角度精准地控制桥梁节段模型的风攻角，定位后利用锁紧装置将高精度旋转滑台固定。
6、进一步的，扭转强迫振动试验采用的夹持装置包括两组曲柄摇杆机构、两组竖向连接件、两组尾端带延长段的u形转换接头，所述的桥梁节段模型展向的两端与尾端带延长段的u形转换接头连接，每组所述的尾端带延长段的u形转换接头与一组竖向连接件转动连接，两组竖向连接件分别与框架的两侧横梁固定连接，每组所述的尾端带延长段的u形转换接头的尾部延长段与一组曲柄摇杆机构的动作端转动连接，两组所述的曲柄摇杆机构的固定段分别与框架的两侧横梁固定连接并位于竖向连接件的后方，两组曲柄摇杆机构需要同步运行，避免桥梁节段模型产生扭转。
7、进一步的，竖弯强迫振动试验采用的夹持装置包括两组曲柄摇杆机构和两组u形转换接头，所述的桥梁节段模型展向的两端分别通过u形转换接头与两组曲柄摇杆机构的动作端固定连接，两组曲柄摇杆机构的外壳分别与框架的两侧横梁固定连接，通过曲柄摇杆机构实现桥梁节段模型的竖弯强迫振动，两组曲柄摇杆机构需要同步运行，避免桥梁节段模型产生扭转。
8、本专利技术还提供根据如上所述的试验系统得出的一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响试验方法，如下：压力扫描阀实时采集作用于桥梁节段模型上的压力数据，将采集到的压力数据积分得到桥梁节段模型所受到的气动力，计算公式如下：
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10、
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12、式中：fl(α),fd(α),m(α)分别为桥梁节段模型受到的升力、阻力、和升力矩；pi为第i个测点的压力；δl为相邻测点的间距；α为桥梁节段模型的风攻角；l为桥梁节段模型的展向长度；
13、通过积分得到模型的升力、阻力及升力矩数据后，再通过下列公式计算桥梁节段模型的三分力系数：
14、
15、
16、
17、式中：cl(α),cd(α),cm(α)分别为桥梁节段模型的升力系数、阻力系数和升力矩系数；u为桥梁节段模型正前方的来流风速；b为桥梁节段模型的宽度；d为桥梁节段模型的高度，基于气动力、桥梁节段模型强迫振动数据、来流风速数据便能够得到桥梁节段模型的颤振导数
18、进一步的如上所述的方法，所述的桥梁节段模型的前、中、后分别布置了浪高仪监测桥梁节段模型处的波浪液面时程，通过研究波浪要素与气动三分力系数及颤振导数之间的关系，得到底部波浪边界对气动荷载特性的影响模式；基于不同波浪相位下的压力分布特征，进一步得出在风浪联合作用下，波浪边界对气动荷载特性的作用机制。
19、本专利技术具有如下有益效果及优点：本专利技术利用三套不同的夹持装置能够在风浪联合试验中完成桥梁节段模型气动三分力系数、颤振导数的测量，可以考虑底部波浪边界对桥梁节段模型气动荷载特性的影响，很好地解决了这一问题。本专利技术通过压力扫描阀获取桥梁节段模型的压力分布，基于气动荷载与波浪的相位关系，可以获得不同波浪要素影响下的压力分布模式，更直观地揭示波浪边界对气动三分力系数及颤振导数的作用机制。本专利技术能够满足小型风浪联合水槽的使用需求，显著降低了相关试验的设备要求。本专利技术在设计过程中重点关注了对风场、浪场的阻塞作用，尽可能地减少了装置中构件的迎风、迎浪面积，荷载的测量方式也选择了对风场干扰更小的测压方式，装置的以上特点在小尺寸实验室中使用时优势明显。本专利技术可以兼顾风浪联合试验和传统风洞试验，极大地拓展了装置的应用场景，提高了适用范围。
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1.一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，包括了桥梁节段模型、两侧带横梁的框架、三种不同类型的夹持装置、风浪耦合场生成装置、气动荷载测量装置、加速度传感器和风速测量设备，其特征在于：
2.根据权利要求1所述一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，其特征在于：气动三分力系数试验采用的夹持装置包括高精度旋转滑台、两组竖向连接件、两组U形转换接头和锁紧装置，所述的桥梁节段模型展向的两端分别通过U形转换接头与高精度旋转滑台连接，所述的高精度旋转滑台的两侧分别通过竖向连接件与框架的两侧横梁固定连接，通过调整高精度旋转滑台的角度精准地控制桥梁节段模型的风攻角，定位后利用锁紧装置将高精度旋转滑台固定。
3.根据权利要求1所述一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，其特征在于：扭转强迫振动试验采用的夹持装置包括两组曲柄摇杆机构、两组竖向连接件、两组尾端带延长段的U形转换接头，所述的桥梁节段模型展向的两端与尾端带延长段的U形转换接头连接，每组所述的尾端带延长段的U形转换接头与一组竖向连接件转动连接，两组竖向连接件分别与框架的两侧横梁固定连接，
4.根据权利要求1所述一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，其特征在于：竖弯强迫振动试验采用的夹持装置包括两组曲柄摇杆机构和两组U形转换接头，所述的桥梁节段模型展向的两端分别通过U形转换接头与两组曲柄摇杆机构的动作端固定连接，两组曲柄摇杆机构的外壳分别与框架的两侧横梁固定连接，通过曲柄摇杆机构实现桥梁节段模型的竖弯强迫振动，两组曲柄摇杆机构需要同步运行，避免桥梁节段模型产生扭转。
5.根据权利要求1-4任一项所述一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统得出的一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响试验方法，其特征在于：压力扫描阀实时采集作用于桥梁节段模型上的压力数据，将采集到的压力数据积分得到桥梁节段模型所受到的气动力，计算公式如下：
6.根据权利要求5所述一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验方法，其特征在于：所述的桥梁节段模型的前、中、后分别布置了浪高仪监测桥梁节段模型处的波浪液面时程，通过研究波浪要素与气动三分力系数及颤振导数之间的关系，得到底部波浪边界对气动荷载特性的影响模式；基于不同波浪相位下的压力分布特征，进一步得出在风浪联合作用下，波浪边界对气动荷载特性的作用机制。
...【技术特征摘要】
1.一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，包括了桥梁节段模型、两侧带横梁的框架、三种不同类型的夹持装置、风浪耦合场生成装置、气动荷载测量装置、加速度传感器和风速测量设备，其特征在于：
2.根据权利要求1所述一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，其特征在于：气动三分力系数试验采用的夹持装置包括高精度旋转滑台、两组竖向连接件、两组u形转换接头和锁紧装置，所述的桥梁节段模型展向的两端分别通过u形转换接头与高精度旋转滑台连接，所述的高精度旋转滑台的两侧分别通过竖向连接件与框架的两侧横梁固定连接，通过调整高精度旋转滑台的角度精准地控制桥梁节段模型的风攻角，定位后利用锁紧装置将高精度旋转滑台固定。
3.根据权利要求1所述一种研究风浪耦合作用对桥梁气动特性影响的试验系统，其特征在于：扭转强迫振动试验采用的夹持装置包括两组曲柄摇杆机构、两组竖向连接件、两组尾端带延长段的u形转换接头，所述的桥梁节段模型展向的两端与尾端带延长段的u形转换接头连接，每组所述的尾端带延长段的u形转换接头与一组竖向连接件转动连接，两组竖向连接件分别与框架的两侧横梁固定连接，每组所述的尾端带延长段的u形转换接头的尾部延长段与一组曲柄摇杆机构的动作端转动连接，两组所述的曲柄摇杆机构的固定段分别与框架的两侧横梁固定连接...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘智超，郭安薪，刘嘉斌，闫佳磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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