一種橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動力響應(yīng)試驗系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動力響應(yīng)試驗系統(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、強風(fēng)、急流、巨浪等惡劣海洋環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
[0003]對于跨海橋梁而言，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，這時的波浪便稱為涌浪。由于波浪的運動導(dǎo)致海面上下起伏并隨時間變化，從而改變了氣液界面的粗糙度，因此波浪運動反過來將影響風(fēng)運動。此外，浪和流之間也具有耦合性，當(dāng)波浪和海流相遇時，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，同時水流的流速分布也將發(fā)生變化。可見，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發(fā)生，并交織在一起，這給跨海橋梁設(shè)計環(huán)境參數(shù)及荷載作用合理確定帶來了新的困難。
[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)可能會發(fā)生渦激振動、抖振、馳振，甚至可能發(fā)生氣動失穩(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周期接近的情況下，將會引起橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅共振。因此，在風(fēng)浪流耦合場中，橋梁結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生大幅振動，甚至可能發(fā)生毀滅性破壞。
[0005]橋梁的風(fēng)浪流耦合作用問題是復(fù)雜的氣-固耦合和液-固耦合問題:一方面，橋梁結(jié)構(gòu)及其運動將改變風(fēng)浪流場；另一方面，風(fēng)浪流場的變化將導(dǎo)致其對橋梁結(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)確評估跨海橋梁在風(fēng)、浪和流環(huán)境下的動態(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)的剛性模型試驗方法和測試裝置無法獲得橋梁在波浪作用下的動力響應(yīng)，不能反映波浪對橋梁的動力作用。因此，對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。彈性模型試驗對于細(xì)長、柔性的動力敏感結(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)本身的運動會增加或改變流體作用力，或者結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)具有強烈的三維效應(yīng)且彈性模態(tài)力難以估計。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。在實驗室中同時對風(fēng)、浪和流進(jìn)行模擬并測試在耦合場中的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將能更逼真地模擬結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。
[0006]在臺風(fēng)過程中，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)場和波浪場的生成存在時滯效應(yīng)，且地形地貌對風(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)向與波浪方向之間往往存在不一致性。海流流向一般受潮汐和洋流影響較大，臺風(fēng)一般僅對海洋表面會產(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)局部沖刷也會極大地改變波浪場和水流場的水質(zhì)點運動速度和方向，對波流場的分布產(chǎn)生巨大的影響。因此，在風(fēng)浪流耦合場試驗?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?zāi)M研究方面，實驗室對于風(fēng)、浪、流單因素的模擬技術(shù)比較成熟，對浪-流耦合作用的研究也具有一定的研究基礎(chǔ)。但是，對于風(fēng)向、波向、流向空間相關(guān)的風(fēng)浪流耦合場模擬和考慮橋位處地形、基礎(chǔ)局部沖刷影響流場分布模擬技術(shù)研究處于空白。
[0007]在風(fēng)場中，橋梁結(jié)構(gòu)通常采用彈性模型或剛性模型進(jìn)行模擬和試驗測試；在浪-流場中，橋梁結(jié)構(gòu)通常采用剛性模型進(jìn)行模擬和試驗測試，對結(jié)構(gòu)彈性響應(yīng)研究少。在國際上，考慮橋梁施工過程和成橋狀態(tài)的全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用試驗技術(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]在試驗測試技術(shù)方面，以往主要關(guān)注風(fēng)、浪、流單因素環(huán)境參數(shù)的測試，風(fēng)場中彈性模型的結(jié)構(gòu)振動位移和加速度測試，波流場中剛性模型水平力、豎向力測量和剛性模型表面壓力分布測量。為研究風(fēng)浪流耦合場的耦合效應(yīng)及其與橋梁彈性響應(yīng)之間的耦合效應(yīng)，如何實現(xiàn)對風(fēng)浪流耦合場多種環(huán)境參數(shù)、全橋彈性模型的位移和加速度動態(tài)響應(yīng)、水下基礎(chǔ)表面動水壓力分布、基底六分力等多變量、多通道的時間連續(xù)及同步測量與分析是面臨的關(guān)鍵問題，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)浪流耦合作用動力響應(yīng)試驗系統(tǒng)，為橋梁全橋風(fēng)浪流耦合作用研究提供必要的風(fēng)浪流耦合場模擬技術(shù)、全橋彈性模型實現(xiàn)技術(shù)和風(fēng)浪流耦合效應(yīng)試驗測試技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010](一)要解決的技術(shù)問題
[0011]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是針對橋梁施工和成橋狀態(tài)風(fēng)浪流耦合作用模型試驗中不能準(zhǔn)確模擬考慮時間同步、空間相關(guān)和地形影響的風(fēng)浪流耦合場、橋梁全橋彈性模型及其測試動態(tài)響應(yīng)等問題，提供一種橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動力響應(yīng)試驗系統(tǒng)。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種橋梁全橋彈性模型風(fēng)浪流耦合作用動力響應(yīng)試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:風(fēng)浪流耦合場模擬系統(tǒng)1，用于通過模擬-反饋-控制的機制生成目標(biāo)風(fēng)浪流耦合場；橋梁全橋彈性模型2，設(shè)置于該風(fēng)浪流耦合場模擬系統(tǒng)I中，用于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；以及試驗測試分析系統(tǒng)3，用于采集和分析風(fēng)浪流耦合場參數(shù)以及橋梁全橋彈性模型2在該風(fēng)浪流耦合場作用下的位移、加速度、水下基礎(chǔ)表面動水壓力分布、基底六分力的動態(tài)響應(yīng)。
[0014]上述方案中，所述風(fēng)浪流耦合場模擬系統(tǒng)I包括L形排列移動式風(fēng)機陣列4、紊流發(fā)生裝置5、風(fēng)場模擬裝置平臺6、三維風(fēng)速儀7、水池8、L形排列吸收式造波機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由四個相鄰的側(cè)壁和底面構(gòu)成，其水平投影為長方形，長邊尺寸為50?150m，短邊尺寸為40?120m，側(cè)壁高度為0.5?3m ;風(fēng)場模擬裝置平臺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)場模擬裝置平臺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)場模擬裝置平臺6下部固定在水池8的底面上，風(fēng)場模擬裝置平臺6頂面與水池8靜水面距離為0.2?Im ;L形排列移動式風(fēng)機陣列4和其前方的紊流發(fā)生裝置5均安裝在風(fēng)場模擬裝置平臺6頂面上；L形排列吸收式造波機9固定在風(fēng)場模擬裝置平臺6前方的水池底面上，其對面的水池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9長邊前方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的個數(shù)為N個，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的個數(shù)為M個，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I?4倍波長范圍內(nèi)，其中M為大于或等于3的自然數(shù)；流速儀17的個數(shù)為K個，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I?4倍波長范圍內(nèi)，其中K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)浪流耦合場模擬系統(tǒng)I通過模擬-反饋-控制的機制生成目標(biāo)風(fēng)浪流耦合場，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，并達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)流速；接著，由L形排列移動式風(fēng)機陣列4、紊流發(fā)生裝置5、風(fēng)場模擬裝置平臺6生成風(fēng)向在0°?90°范圍任意可調(diào)的風(fēng)場，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9生成波向在0°?90°范圍任意可調(diào)的入射波波浪場，并經(jīng)過海底地形模擬裝置11改變其水質(zhì)點運動形態(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)、時間同步和連續(xù)的目標(biāo)風(fēng)-浪-流耦合場，能夠考慮橋位處地形、基礎(chǔ)局部沖刷對風(fēng)浪流親合場的影響。
[0016]上述方案中，在該風(fēng)浪流耦合場模擬系統(tǒng)I中，風(fēng)速、風(fēng)剖面和風(fēng)向利用L形排列移動式風(fēng)機陣列4、紊流發(fā)生裝置5和風(fēng)場模擬裝置平臺6進(jìn)行模擬，利用三維風(fēng)速儀7對風(fēng)速、風(fēng)剖面和風(fēng)向進(jìn)行實時測試，并通過試驗測試分析系統(tǒng)3與L形排列移動式風(fēng)機陣列
4、風(fēng)場紊流發(fā)生裝置5、風(fēng)場模擬裝置平臺6共同形成“模擬-反饋-控制”來調(diào)試獲得目標(biāo)風(fēng)場。
[0017]上述方案中，在該風(fēng)浪流耦合場模擬系統(tǒng)I中，波浪波高、波周期和波向利用L形排列吸收式造波機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)波浪譜的隨機波浪系列；波高儀12對波高時程進(jìn)行實時測試，并通過試驗測試分析系統(tǒng)3與L形排列吸收式造波機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。
[0018]上述方案中，在該風(fēng)浪流耦合場模擬系統(tǒng)I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；通過控制造流栗13驅(qū)動水流沿導(dǎo)流管14至整流器16均勻