測定懸索管道橋在紊流風場中氣動力相關性的試驗方法與流程
2023-05-15 15:26:05 3
本發明涉及一種測定懸索管道橋在紊流風場中氣動力相關性的試驗方法，屬於懸索管道橋在紊流風場中的氣動力特性研究領域。
背景技術：
懸索管道橋相比於公路懸索橋其主梁截面較窄，對風荷載的作用非常敏感。目前在懸索管道橋的抗風特性研究中，關於其靜力特性的研究較多，而對於其動力特性的研究相對較少。懸索管道橋在風荷載作用下的動力作用主要有顫振、馳振、抖振和渦激振動等。其中，抖振主要由風速中的脈動成分引起。當前國內外的研究中多以均勻流作用下橋梁的受力特性為主，而實際在自然界中，橋梁所受到的風均是含有脈動成分的紊流風。因此，對懸索管道橋在紊流風作用下進行受力分析很有必要。
通常進行橋梁氣動力試驗研究時，需要設置一個剛度非常大的固定支架用來固定模型和測力天平。固定支架多架設在模型下方，由於要保證固定支架的剛度，通常固定支架的尺寸都設計的較大，這樣會嚴重影響到模型下部的氣流狀態，從而導致試驗結果不能反應真實情況。
技術實現要素：
為了解決這一問題，本發明的目的在於提供一種測定懸索管道橋在紊流風場中氣動力相關性的試驗方法。本發明根據懸索管道橋的結構特點，其主梁斷面中，管道佔據了相當大的比重，管道內部中空，可以利用這部分空間來設置固定支架使得支架包裹在管道內部而不會改變管道橋在風場中的繞流特性。從而使得試驗結果更加符合管道橋在紊流風場中的真實受力情況。本發明適用於懸索管道橋在風洞中的氣動力相關性試驗，為懸索管道橋的抗風設計提供有力的試驗技術支撐。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
一種測定懸索管道橋在紊流風場中氣動力相關性的試驗方法，包括以下步驟：
步驟1，製作若干個相同的管道橋節段模型，並沿每個管道橋節段模型的管道部分的中軸線將所述管道橋節段模型切分為模型上部分和模型下部分，沿每個模型下部分管道壁內的中心位置設置找平墊塊；
步驟2，製作用於在風洞中固定所述管道橋節段模型的固定支架，所述固定支架包括一個橫梁和位於橫梁兩端的立柱，所述立柱的頂端連接所述橫梁，所述立柱的底端固定在地面上；
步驟3，將兩個測力天平上下分別固定上墊片A和下墊片A；
步驟4，製作用於連接管道橋節段模型和固定支架的若干個固定墊塊；
步驟5，將固定有上墊片A和下墊片A的測力天平與其中兩個模型下部分內的找平墊片固定在一起，再將固定墊塊與其餘模型下部分內的找平墊片固定在一起；
步驟6，將固定有測力天平和固定墊塊的若干個管道橋節段模型與固定支架沿橫梁的長度方向依次連接，其中，所述固定支架的橫梁穿過依次連接的若干個管道橋節段模型的管道部分內部；
步驟7，在風洞中設置紊流風場，在紊流風場中設置兩個風速儀，所述兩個風速儀以不同間距分別測定紊流風場的特性；
步驟8，將固定在固定支架上的管道橋節段模型放置於風洞中，根據試驗工況變換兩個固定有測力天平的管道橋節段模型的位置，分別測定所述管道橋節段模型的氣動力，其中兩個固定有測力天平的管道橋節段模型的相對位置為試驗工況的變化參數，並根據試驗結果分析得出紊流風場以及氣動力的相關性。
進一步的，所述固定墊塊包括上墊片B、下墊片B和上墊片B與下墊片B之間的連接塊，所述上墊片B和下墊片B分別與所述上墊片A和下墊片A的大小一致，每個連接塊的高度一致，且每個連接塊的高度與測力天平的高度一致。
進一步的，所述上墊片A和上墊片B分別與固定支架的橫梁固定連接；所述下墊片A和下墊片B分別與找平墊塊固定連接。
進一步的，所述橫梁上設有若干個螺紋孔，每四個螺紋孔為一組，呈四角布置；相鄰兩組螺紋孔的間距固定，且間距等於或略大於一個管道橋節段模型的長度。
進一步的，所述找平墊塊、上墊片A、下墊片A、上墊片B和下墊片B的橫截面為正方形或矩形，且其四角分別設有螺紋孔；所述上墊片A或上墊片B的螺紋孔與所述橫梁的每一組螺紋孔均相對應，所述下墊片A或下墊片B的螺紋孔與所述找平墊塊的螺紋孔相對應；另外，所述上墊片A和下墊片A的中心處分別設有三個螺紋孔，用於固定所述測力天平。
進一步的，所述模型上部分和模型下部分之間為可開合的。
進一步的，所述固定支架的橫梁兩端分別設有兩個立柱，所述立柱的底端分別設有底板，所述底板設於地面上，用於固定所述固定支架；且所述橫梁與立柱之間由螺絲固定，以調節角度改變風攻角。
進一步的，所述找平墊塊由塑料粉末經3D列印而成，粘合在模型下部分管道壁內的中心位置，且粘合後找平墊塊保持水平。
進一步的，所述上墊片A、下墊片A、上墊片B、下墊片B和連接塊均由鋼材加工而成，且所述上墊片B、下墊片B和連接塊通過焊接固定在一起。
進一步的，步驟7中兩個風速儀之間的間距由小到大分多個級別分別測定紊流風場的特性。
本發明提供了一種測定懸索管道橋在紊流風場中氣動力相關性的試驗方法。將固定支架上的橫梁設置在懸索管道橋節段模型的管道之內，避免了固定支架對懸索管道橋繞流特性的影響，使得懸索管道橋在風場中氣動力相關性的模擬精度得到了極大的提高，是懸索管道橋風洞試驗技術的一次提升。本發明通過設置固定墊塊、連接墊片和找平墊塊等將固定支架的橫梁固定在懸索管道橋節段模型的管道之內，使得試驗得出的懸索管道橋的氣動力相關性更加符合真實的情況，為懸索管道橋的工程設計提供有力的支撐。另外，本發明中各墊塊和墊片的設置以及連接比較簡單，便於試驗操作，能夠取得較好的效果。
附圖說明
圖1為實施例中所述測定單層懸索管道橋在紊流風場中氣動力相關性的試驗裝置結構示意圖；
圖2為本發明所述固定支架的結構示意圖；
圖3為本發明所述固定支架的橫梁的橫截面局部結構示意圖；
圖4實施例中單層懸索管道橋節段模型的模型下部分內安裝有找平墊塊的結構示意圖；
圖5A為所述上墊片B或下墊片B的橫截面結構示意圖；
圖5B為所述上墊片A或下墊片A的橫截面結構示意圖；
圖5C為所述固定墊塊的縱截面結構示意圖；
圖5D為所述安裝有上墊片A和下墊片A的測力天平縱截面結構示意圖；
圖6為所述測試紊流風場特性的風速儀的結構示意圖；
圖7A為實施例試驗得出的紊流風場的相關係數；
圖7B為實施例試驗得出的紊流風場的相干函數；
圖8A為實施例試驗得出的懸索管道橋氣動力相關係數；
圖8B為實施例試驗得出的懸索管道橋氣動力相干函數；
圖9為實施例中單層懸索管道橋的斷面結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
一種測定懸索管道橋在紊流風場中氣動力相關性的試驗方法，包括以下步驟：
步驟1，根據試驗要求，選取1:15的縮尺比，製作12個相同的單層懸索管道橋節段模型，所述單層懸索管道橋節段模型包括管道部分和橋部分，每個單層懸索管道橋節段模型的跨向長度為167mm，順風向長度為240mm，高97.1mm。如圖4所示，沿每個管道橋節段模型的管道部分的中軸線將所述單層懸索管道橋節段模型切分為模型上部分和模型下部分，所述模型上部分4和模型下部分5之間為可開合的。所述找平墊塊由塑料粉末經3D列印而成，將找平墊塊四角鑽取用於固定的四個螺紋孔，並將找平墊塊粘合在每個模型下部分管道壁內的中心位置，且保證粘合後找平墊塊保持水平。
步驟2，製作用於在風洞中固定所述管道橋節段模型的固定支架，如圖2所示，所述固定支架包括一個橫梁和位於橫梁兩端的立柱，所述立柱的頂端連接所述橫梁，所述立柱的底端固定在地面上。如圖3所示，在橫梁上鑽取螺紋孔，每四個螺紋孔為一組，呈四角布置，相鄰兩組螺紋孔的間距為170mm。優選的，所述固定支架的橫梁兩端分別設有兩個立柱，所述立柱的底端分別設有底板，所述底板設於地面上，用於固定所述固定支架。且所述橫梁與立柱之間由螺絲固定，以調節角度改變風攻角。
步驟3，如圖5D所示，將兩個測力天平上下分別固定上墊片A和下墊片A。如圖5B所示，上墊片A和下墊片A的橫截面為正方形或矩形，且其四角分別設有螺紋孔，所述上墊片A的螺紋孔與橫梁的每一組螺紋孔均相對應，所述下墊片A螺紋孔與所述找平墊塊的螺紋孔相對應。另外，所述上墊片A和下墊片A的中心處分別鑽取三個螺紋孔，用於固定所述測力天平。
步驟4，製作用於連接管道橋節段模型和固定支架的10個固定墊塊。如圖5C所示，所述固定墊塊包括上墊片B、下墊片B和上墊片B與下墊片B之間的連接塊，所述上墊片A、下墊片A、上墊片B、下墊片B和連接塊均由鋼材加工而成，且所述上墊片B、下墊片B和連接塊通過焊接固定在一起。所述上墊片B和下墊片B分別與所述上墊片A和下墊片A的大小一致，每個連接塊的高度一致，且每個連接塊的高度與測力天平的高度一致。如圖5A所示，上墊片B和下墊片B的橫截面為正方形或矩形，且其四角分別設有螺紋孔，所述上墊片B的螺紋孔與橫梁的每一組螺紋孔均相對應，所述下墊片B螺紋孔與所述找平墊塊的螺紋孔相對應。
步驟5，將固定有上墊片A和下墊片A的測力天平與其中兩個模型下部分內的找平墊片固定在一起，再將固定墊塊與其餘10個模型下部分內的找平墊片固定在一起。
步驟6，將固定有測力天平和固定墊塊的管道橋節段模型與固定支架沿橫梁的長度方向依次連接，其中，所述固定支架的橫梁穿過依次連接的若干個管道橋節段模型的管道部分內部；安裝有測力天平的兩個管道橋節段模型與其餘安裝有固定墊塊的管道橋節段模型的位置關係依據試驗工況布置。
步驟7，在風洞中設置紊流風場，在紊流風場中設置兩個風速儀，所述兩個風速儀以不同間距分別測定紊流風場的特性；兩個風速儀的間距分為100mm，200mm，300mm，500mm，800mm，1000mm，1200mm，1500mm8個工況。
步驟8，將模型上部分和模型下部分粘合，並將固定在固定支架上的管道橋節段模型放置於風洞中，根據試驗工況變換兩個固定有測力天平的管道橋節段模型的位置，分別測定所述管道橋節段模型的氣動力，其中兩個固定有測力天平的管道橋節段模型的相對位置為試驗工況的變化參數，測力天平所在的兩個管道橋節段模型之間的間距分別為167mm，334mm，501mm，668mm以及835mm5種工況，並根據試驗結果分析得出紊流風場以及氣動力的相關性。最後得出紊流風場的相關係數和相干函數如圖7A、7B所示，得出懸索管道橋氣動力的相關係數和相干函數如圖8A、8B所示。
其中，圖7A中，橫坐標Δy為試驗中兩個風速儀之間的跨向間距；圖7B中，橫坐標為無量綱化處理之後的頻率；圖8A中，橫坐標r為試驗中，兩個測力天平之間的間距；圖8B中，橫坐標為無量綱化處理之後的頻率。
圖7A給出了風速的相關係數隨跨向間距的變化曲線，從圖中可以看出，本實例所建立的紊流風場的脈動風速相關性隨著間距的增大而減小，且橫向脈動分量的相關性較大，而縱向脈動分量的相關性較小。圖7B給出了風速的相干函數隨頻率的變化曲線，從圖中可以看出，在低頻段，風速的相關性較大，而高頻段風速的相關性較小。從圖中同樣可以看出橫向脈動分量的相關性要大於縱向和豎向的脈動分量。圖8A給出了氣動力的相關係數隨測力天平間距的變化規律，從圖中可以看出隨著間距的增大，氣動力的相關性逐漸減小。阻力的相關性最大而力矩的相關性最小。圖8B給出了氣動力的相干函數隨頻率的變化曲線，同樣可以看出隨著間距的增大，氣動力的相關性減小。
本發明通過設置固定墊塊、連接墊片和找平墊塊等將固定支架的橫梁固定在懸索管道橋節段模型的管道之內，使得試驗得出的懸索管道橋的氣動力相關性更加符合真實的情況，為懸索管道橋的工程設計提供有力的支撐。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。