一種橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著橋梁建設(shè)從內(nèi)陸走向外海，橋梁建設(shè)面臨著深水、強(qiáng)風(fēng)、急流、巨浪等惡劣海洋環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
[0003]對(duì)于跨海橋梁而言，作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)、波浪、海流之間具有強(qiáng)烈的耦合性。海洋里的波浪主要是風(fēng)浪和涌浪，其中風(fēng)浪是在風(fēng)力的直接作用下形成的波浪；當(dāng)風(fēng)停止，或當(dāng)波浪離開風(fēng)區(qū)時(shí)，這時(shí)的波浪便稱為涌浪。由于波浪的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致海面上下起伏并隨時(shí)間變化，從而改變了氣液界面的粗糙度，因此波浪運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)將影響風(fēng)運(yùn)動(dòng)。此外，浪和流之間也具有耦合性，當(dāng)波浪和海流相遇時(shí)，它們間的相互作用將影響各自的傳播特性，即波浪要素將發(fā)生變形，其傳播將發(fā)生折射，同時(shí)水流的流速分布也將發(fā)生變化?？梢?，風(fēng)、浪、流之間的相互作用和風(fēng)、浪、流與結(jié)構(gòu)之間的相互作用同時(shí)發(fā)生，并交織在一起，這給跨海橋梁設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)及荷載作用合理確定帶來(lái)了新的困難。
[0004]跨海大橋的剛度低、阻尼小，在風(fēng)的作用下，橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)、抖振、馳振，甚至可能發(fā)生氣動(dòng)失穩(wěn)；在波浪和水流作用下，特別是在波浪卓越周期與橋梁振動(dòng)周期接近的情況下，將會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅共振。因此，在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)中，橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生大幅振動(dòng)，甚至可能發(fā)生毀滅性破壞。
[0005]橋梁的風(fēng)浪流耦合作用問(wèn)題是復(fù)雜的氣-固耦合和液-固耦合問(wèn)題:一方面，橋梁結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)將改變風(fēng)浪流場(chǎng)；另一方面，風(fēng)浪流場(chǎng)的變化將導(dǎo)致其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)發(fā)生改變。因此，傳統(tǒng)采用分別計(jì)算風(fēng)、浪、流單因素作用然后進(jìn)行疊加的方法不能夠準(zhǔn)確反映橋梁在風(fēng)浪流耦合作用下的受力性能。為準(zhǔn)確評(píng)估跨海橋梁在風(fēng)、浪和流環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，需要考慮風(fēng)、浪、流和橋梁結(jié)構(gòu)之間的耦合效應(yīng)。傳統(tǒng)的剛性模型試驗(yàn)方法和測(cè)試裝置無(wú)法獲得橋梁在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)，不能反映波浪對(duì)橋梁的動(dòng)力作用。因此，對(duì)大跨橋梁在波浪作用下的受力性能應(yīng)該采用彈性模型更為合理。彈性模型試驗(yàn)對(duì)于細(xì)長(zhǎng)、柔性的動(dòng)力敏感結(jié)構(gòu)尤其重要，此類結(jié)構(gòu)容易發(fā)生氣彈/水彈效應(yīng)。氣彈/水彈效應(yīng)是結(jié)構(gòu)本身的運(yùn)動(dòng)會(huì)增加或改變流體作用力，或者結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)具有強(qiáng)烈的三維效應(yīng)且彈性模態(tài)力難以估計(jì)。為了能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)的風(fēng)浪流作用響應(yīng)，氣彈/水彈模型必須模擬自然風(fēng)-浪-流特性、結(jié)構(gòu)外形的關(guān)鍵流體動(dòng)力信息以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度、質(zhì)量和阻尼特性。在實(shí)驗(yàn)室中同時(shí)對(duì)風(fēng)、浪和流進(jìn)行模擬并測(cè)試在耦合場(chǎng)中的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將能更逼真地模擬結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。
[0006]在臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，風(fēng)浪占據(jù)了主導(dǎo)地位，風(fēng)向和波向存在較高的相關(guān)性，但是由于風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)的生成存在時(shí)滯效應(yīng)，且地形地貌對(duì)風(fēng)和波浪的傳播方向存在巨大的干擾效應(yīng)，從而導(dǎo)致特定位置的風(fēng)向與波浪方向之問(wèn)往往存在不一致性。海流流向一般受潮汐和洋流影響較大，臺(tái)風(fēng)一般僅對(duì)海洋表面會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)海流，因此整體海流流速和流向一般與風(fēng)向和波向存在較弱的相關(guān)關(guān)系。此外，橋位處地形地貌和基礎(chǔ)局部沖刷也會(huì)極大地改變波浪場(chǎng)和水流場(chǎng)的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和方向，對(duì)波流場(chǎng)的分布產(chǎn)生巨大的影響。因此，在風(fēng)浪流耦合場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)M中，需要考慮風(fēng)向、波向、流向的不一致性模擬。目前，在風(fēng)浪流耦合作用試驗(yàn)?zāi)M研究方面，實(shí)驗(yàn)室對(duì)于風(fēng)、浪、流單因素的模擬技術(shù)比較成熟，對(duì)浪-流耦合作用的研究也具有一定的研究基礎(chǔ)。但是，對(duì)于風(fēng)向、波向、流向空間相關(guān)的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬和考慮橋位處地形、基礎(chǔ)局部沖刷影響流場(chǎng)分布模擬技術(shù)研究處于空白。
[0007]在風(fēng)場(chǎng)中，橋梁結(jié)構(gòu)通常采用彈性模型或剛性模型進(jìn)行模擬和試驗(yàn)測(cè)試；在浪-流場(chǎng)中，橋梁結(jié)構(gòu)通常采用剛性模型進(jìn)行模擬和試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)結(jié)構(gòu)彈性響應(yīng)研究少。在國(guó)際上，考慮橋梁施工過(guò)程和成橋狀態(tài)的全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用試驗(yàn)技術(shù)和全橋風(fēng)浪流耦合作用彈性響應(yīng)特性研究仍處于空白。
[0008]在試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)方面，以往主要關(guān)注風(fēng)、浪、流單因素環(huán)境參數(shù)的測(cè)試，風(fēng)場(chǎng)中彈性模型的結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移和加速度測(cè)試，波流場(chǎng)中剛性模型水平力、豎向力測(cè)量和剛性模型表面壓力分布測(cè)量。為研究風(fēng)浪流耦合場(chǎng)的耦合效應(yīng)及其與橋梁彈性響應(yīng)之間的耦合效應(yīng)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)浪流耦合場(chǎng)多種環(huán)境參數(shù)、全橋彈性模型的位移和加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)、水下基礎(chǔ)表面動(dòng)水壓力分布、基底六分力等多變量、多通道的時(shí)間連續(xù)及同步測(cè)量與分析是面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，目前仍處于空白狀態(tài)。
[0009]因此，迫切需要研發(fā)橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，為橋梁全橋風(fēng)浪流耦合作用研究提供必要的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬技術(shù)、全橋彈性模型實(shí)現(xiàn)技術(shù)和風(fēng)浪流耦合效應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0011]有鑒于此，本實(shí)用新型的主要目的是針對(duì)橋梁施工和成橋狀態(tài)風(fēng)浪流耦合作用模型試驗(yàn)中不能準(zhǔn)確模擬考慮時(shí)間同步、空問(wèn)相關(guān)和地形影響的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)、橋梁全橋彈性模型及其測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)等問(wèn)題，提供一種橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:通過(guò)模擬-反饋-控制的機(jī)制生成目標(biāo)風(fēng)浪流耦合場(chǎng)的風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1 ;，設(shè)置于該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1中、模擬橋梁施工及成橋狀態(tài)全橋的彈性結(jié)構(gòu)外形、剛度、質(zhì)量及阻尼特性的橋梁全橋彈性模型2 ;采集和分析風(fēng)浪流耦合場(chǎng)參數(shù)以及橋梁全橋彈性模型2在該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)作用下的位移、加速度、水下基礎(chǔ)表面動(dòng)水壓力分布、基底六分力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)3。
[0014]上述方案中，所述風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1包括L形排列移動(dòng)式風(fēng)機(jī)陣列4、紊流發(fā)生裝置5、風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6、三維風(fēng)速儀7、水池8、L形排列吸收式造波機(jī)9、L形排列消波器10、海底地形模擬裝置11、波高儀12、造流栗13、導(dǎo)流管14、整流器16和流速儀17，其中:水池8由四個(gè)相鄰的側(cè)壁和底面構(gòu)成，其水平投影為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)邊尺寸為50?150m，短邊尺寸為40?120m，側(cè)壁高度為0.5?3m ;風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6包括兩段，呈L形平行布置在水池8的相鄰兩側(cè)壁內(nèi)側(cè)，風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6和相鄰的水池8側(cè)壁之間的水平投影凈間距為0.2?2m，風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6下部固定在水池8的底面上，風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6頂面與水池8靜水面距離為0.2?lm ;L形排列移動(dòng)式風(fēng)機(jī)陣列4和其前方的紊流發(fā)生裝置5均安裝在風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6頂面上；L形排列吸收式造波機(jī)9固定在風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6前方的水池底面上，其對(duì)面的水池8側(cè)壁前設(shè)有L形排列消波器10，L形排列消波器10與相鄰的水池8側(cè)壁之間的水平凈距離為0.2?2m ;整流器16和造流栗13均為I字形排列，二者平行布置，二者之間布置橋梁全橋彈性模型2 ;整流器16安裝在L形排列吸收式造波機(jī)9長(zhǎng)邊前方2?5m的水池8底面下部，且其頂面與水池8底面平齊；風(fēng)速儀7的個(gè)數(shù)為N個(gè)，布置在全橋彈性模型2的迎風(fēng)方向前方，風(fēng)速儀7距離靜水面的垂直高度為橋塔高度的65%或與主梁高度一致，其中N為大于或等于3的自然數(shù)；波高儀12的個(gè)數(shù)為Μ個(gè)，布置在橋梁全橋彈性模型2基礎(chǔ)側(cè)邊2?5倍基礎(chǔ)寬度處和橋梁全橋彈性模型2的迎浪方向前方1?4倍波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其中Μ為大于或等于3的自然數(shù)；流速儀17的個(gè)數(shù)為Κ個(gè)，布置安裝在橋梁全橋彈性模型2基礎(chǔ)側(cè)邊2?5倍基礎(chǔ)寬度處和橋梁全橋彈性模型2的迎流方向前方1?4倍波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其中Κ為大于或等于3的自然數(shù)；造流栗13安裝在L形排列消波器10長(zhǎng)邊前方2?5m的水池8底面下部，且其頂面與水池8底面平齊；導(dǎo)流管14安裝在水池8底面下部，其兩端分別與造流栗13和整流器16連接；海底地形模擬裝置11安裝在造流栗13和整流器16之間的水池8底面上，海底地形模擬裝置11內(nèi)部布置模型基座35，模型基座35與水池8底面固結(jié)，模型基座35上部安裝橋梁全橋彈性模型2。
[0015]上述方案中，所述風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1通過(guò)模擬-反饋-控制的機(jī)制生成目標(biāo)風(fēng)浪流耦合場(chǎng)，具體包括:首先，由造流栗13、導(dǎo)流管14和整流器16生成流場(chǎng)，并達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)流速；接著，由L形排列移動(dòng)式風(fēng)機(jī)陣列4、紊流發(fā)生裝置5、風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6生成風(fēng)向在0°?90°范圍任意可調(diào)的風(fēng)場(chǎng)，并達(dá)到穩(wěn)定的風(fēng)速和風(fēng)剖面；然后，由L形排列吸收式造波機(jī)9生成波向在0°?90°范圍任意可調(diào)的入射波波浪場(chǎng)，并經(jīng)過(guò)海底地形模擬裝置11改變其水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形態(tài)，傳播到橋梁全橋彈性模型2位置處達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)波高和波周期，從而獲得空間相關(guān)、時(shí)間同步和連續(xù)的目標(biāo)風(fēng)-浪-流耦合場(chǎng)，能夠考慮橋位處地形、基礎(chǔ)局部沖刷對(duì)風(fēng)浪流親合場(chǎng)的影響。
[0016]上述方案中，在該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1中，風(fēng)速、風(fēng)剖面和風(fēng)向利用L形排列移動(dòng)式風(fēng)機(jī)陣列4、紊流發(fā)生裝置5和風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6進(jìn)行模擬，利用三維風(fēng)速儀7對(duì)風(fēng)速、風(fēng)剖面和風(fēng)向進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)3與L形排列移動(dòng)式風(fēng)機(jī)陣列4、風(fēng)場(chǎng)紊流發(fā)生裝置5、風(fēng)場(chǎng)模擬裝置平臺(tái)6共同形成“模擬-反饋-控制”來(lái)調(diào)試獲得目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)。
[0017]上述方案中，在該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1中，波浪波高、波周期和波向利用L形排列吸收式造波機(jī)9、L形排列消波器10和海底地形模擬裝置11在水池8中進(jìn)行模擬，能夠生成穩(wěn)定的規(guī)則波浪系列和滿足目標(biāo)波浪譜的隨機(jī)波浪系列；波高儀12對(duì)波高時(shí)程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)3與L形排列吸收式造波機(jī)9、L形排列消波器10形成“模擬-反饋-控制”而獲得目標(biāo)波浪場(chǎng)。
[0018]上述方案中，在該風(fēng)浪流耦合場(chǎng)模擬系統(tǒng)1中，水流流速和流向利用造流栗13、導(dǎo)流管14、整流器16構(gòu)成的閉環(huán)造流系統(tǒng)進(jìn)行模擬；通過(guò)控制造流栗13驅(qū)動(dòng)水流沿導(dǎo)流管14至整流器16均勻噴射出來(lái)，