一種用於超高層建築風洞實驗的多自由度氣彈模型骨架的製作方法

2023-05-29 05:48:56

本實用新型涉及一種風洞實驗氣彈模型骨架，具體涉及一種用於超高層建築風洞實驗的多自由度氣彈模型骨架。

背景技術：

對超高層建築進行風效應研究的主要途徑是模型風洞試驗，常見的風洞試驗模型有剛性測壓模型、測力天平模型、單自由度氣彈模型和多自由度氣彈模型。其中，多自由度氣彈模型風洞試驗是模擬超高層建築風致響應最為精確的風洞試驗方式。目前多自由度氣彈模型骨架的製作方式種類較多，普遍是採用將若干豎向方柱和水平剛板通過一定的方式連接構成模型骨架，在骨架上再固定外衣板製成高層建築多自由度氣彈模型。

a.在豎向方柱和水平剛板的連接方式方面，現有製作方式上是採用膠劑永久粘接或夾具固定的方式。其中：膠劑粘接的方式不可拆卸，無法改變模型的平動剛度，因而無法模擬不同剛度的超高層建築；純粹靠夾具固定的方式，可以通過控制方柱間距來調整剛度，但只能以來手工、肉眼來調整方柱間距，因而精度和可操作性較差。

b.在豎向方柱的設置方面，現有製作方式是採用一根或四根豎向方柱。採用中間一根方柱的方式會使扭轉向剛度嚴重偏大，使得振型成分主要為彎曲型，與實際建築振型有很大不同。採用四邊各一根方柱的方式，可以對振型進行調節，但由於夾具尺寸的限制，振型的可調範圍較小、且精度難以控制。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種能改變模型骨架平動剛度的氣彈模型骨架，以適應不同剛度的超高層建築模擬實驗；本實用新型的另一目的在於提供一種能精確控制並容易調整調整模型剛度的氣彈模型骨架；本實用新型的另一目的在於提供一種布局合理的氣彈模型骨架以便能更真實的模擬實際建築振型。

為了解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是：

一種用於超高層建築風洞實驗的多自由度氣彈模型骨架，其特徵在於：主要由多根立柱將至少三層水平鋼板串聯組成，所述水平鋼板為多邊形框架，多邊形框架的中間設有方孔，所述方孔與多邊形框架的側邊之間設有橫梁，所述立柱包括一根方形粗柱和多根異形細柱，所述方形粗柱穿過每一層水平鋼板上的方孔並與方孔通過粘接方式相對固定，所述異形細柱與每一層水平鋼板的橫梁可拆卸的固定相連，所述多層水平鋼板根據實驗需要以一定間隔在方形粗柱上下排列。

作為改進，所述每一層多邊形框架的橫梁上設有多個水平方向排列的凸塊，所述異形細柱上設有與每一層多邊形框架的橫梁上的凸塊相配合的卡孔，所述異形細柱與橫梁通過凸塊和卡孔定位。

作為改進，所述異形細柱與橫梁通過夾具相連，所述夾具由兩塊夾板和螺栓組成。

作為改進，所述水平鋼板有3-10層，所述異形細柱有3-8根。

作為改進，所述橫梁以多邊形框架中間的方孔為中心對稱分布，橫梁數量有3-8個。

作為改進，所述橫梁上的凸塊有3-8個。

作為改進，所述方形粗柱四周的多邊形框架上設有通過螺孔可拆卸固定的配重塊。

與現有技術的方式相比，本專利具有以下有益效果：

1、振型、頻率可調範圍大，能模擬通常的實際超高層建築。

2、異形細柱調節方便易行、精度高。

3、異形細柱的可拆卸性使模型骨架能夠重複使用。

4、用上述方式製作的模型骨架，能夠支撐多種外形的模型外衣板，從而模擬多種外形的實際高層建築。

附圖說明

圖1為本實用新型結構示意圖。

圖2為本實用新型剖面示意圖。

圖3為多邊形框架平面示意圖。

圖4為異形細柱局部結構示意圖。

圖5為圖3中A1局部示意圖。

圖6為本實用新型多自由度氣彈模型骨架自由振動衰減曲線。

圖7為多自由度氣彈模型骨架三種振型圖。

其中，圖7a為一階平動振型，圖7b為一階扭轉振型，圖7c為二階平動振型。

附圖標記：1-凸塊，2-方孔，3-螺孔，4-卡孔，5-異形細柱，6-螺栓，7-夾板，8-方形粗柱，9-多邊形框架，10-橫梁。

具體實施方式

本實用新型實施例的多自由度氣彈模型骨架所用製作材料為鋁合金，該材料可以模擬實際高層建築的力學性能。

如圖1和圖2所示，本實施例一種用於超高層建築風洞實驗的多自由度氣彈模型骨架，主要由多根立柱將6層水平鋼板串聯組成；如圖3所示，所述水平鋼板為多邊形框架9，多邊形框架9的中間設有方孔2，所述方孔2與多邊形框架9的四個邊之間設有橫梁10，所述橫梁10以多邊形框架9中間的方孔2為中心對稱分布，橫梁10數量有4個，橫梁10數量不限於4個，可根據實驗需要選擇3-8個，所述立柱包括一根方形粗柱8和多根異形細柱5，如圖4所示，所述方形粗柱8穿過每一層水平鋼板上的方孔2並與方孔2通過膠劑粘接方式永久固定，所述異形細柱5與每一層水平鋼板的橫梁10可拆卸的固定相連，所述多層水平鋼板根據實驗需要以一定間隔在方形粗柱8上下排列。

如圖3所示，所述每一層多邊形框架9的橫梁10上設有多個水平方向排列的凸塊1，本實施例中每個橫梁10上凸塊1數量為5個，但不限於5個可根據實驗需要選擇3-8個，所述異形細柱5上設有與每一層多邊形框架9的橫梁10上的凸塊1相配合的卡孔4，所述異形細柱5與橫梁10通過凸塊1和卡孔4定位，並通過夾具相對固定相連，如圖5所示，所述夾具由兩塊夾板7和螺栓6組成。夾板7用於增大螺栓6和異形細柱5的接觸面積。

所述水平鋼板有不限於6層，可根據實驗需要選擇3-10層，所述異形細柱5也可根據實驗需要選擇有3-8根。

所述方形粗柱8四周的多邊形框架9上設有通過螺孔3可拆卸固定的配重塊。所述用於安裝配重塊的螺孔3可根據實驗需要選擇3-8個。

使用時，先按照上述結構製造組件，製成以上組件後，該多自由度氣彈模型骨架組裝方式為：現將方形粗柱8塞進按一定豎向間距柱排列的6層多邊形框架9的方孔2中，通過膠劑永久固定，初步保證骨架的穩定性。再將四根異形細柱5的卡孔4依次卡到對應的凸塊1上，最後通過夾具將異形細柱5與不同層的橫梁10固定連接，即製成多自由度氣彈模型骨架。

上述多自由度氣彈模型骨架製作完成後，模型調試的方法（也即該模型的優勢）有：

a. 四邊的四根異形細柱5通過左右（前後）移動可以調節骨架的平動剛度，從而模擬不同剛度超高層建築的振動頻率。中間一根豎向的方形粗柱8存在可以保證骨架彎曲振型所佔的比例，四邊的四根異形細柱5越粗或距離多邊形框架9中心越遠則剪切振型所佔比例越大。從而，可以通過控制異形細柱5尺寸和異形細柱5左右（前後）位置，使模型骨架同時模擬出超高層建築的實際頻率和振型，這一優勢是既有製作方法所不具備的。

b. 在異形細柱5左右（前後）移動時，凸塊1的設置可以保障異形細柱5上下和左右（前後）位置的精確性，尤其可以實現異形細柱5上下位置的精確性和牢固性。凸塊1的設置也使得異形細柱5移動的移動變得方便易行，而不必純粹靠手工來控制方柱間距。

圖6為多自由度氣彈模型骨架製作完成後，將多自由度氣彈模型骨架固定在底座上並套上模型外衣板，對多自由度氣彈模型骨架進行自振測試所得的自由振動衰減曲線，圖6中兩條曲線為異形細柱5卡在橫梁10的不同凸塊1上的結果。從圖6來看，兩時程曲線的頻率有所差別，且衰減曲線非常平順理想，說明上述骨架較好地模擬了高層建築的振動頻率和自振衰減情況。

圖7為多自由度氣彈模型骨架自振的前幾階振型圖。從7的結果可以看出，該模型的一階平動振型、一階扭轉振型和二階平動振型都與實際建築比較接近，說明上述骨架的設計方法在調振型方面是可行的。