本發(fā)明涉及橋梁抗風設計的，特別是一種適用于鋼桁拱肋拱橋氣彈模型的設計方法及制作方法。

背景技術：

1、在土木工程中，為實現(xiàn)較大距離的跨越，如跨越較寬廣的河流、深邃的山谷等，相比于架設梁式橋或斜拉橋、懸索橋，拱橋得益于自身優(yōu)美的造型和較低的經(jīng)濟成本，是大跨徑橋梁工程建設中非常有競爭力的橋式。拱橋作為一種經(jīng)典構造形式，其受力簡單，當拱肋采用鋼桁架形式時，組成拱肋的各部分構件以拉/壓受力為主，對材料性能有較高的利用率，具有較大跨越能力，且結構自重輕，易于拼裝，外形美觀，該類橋梁在土木工程中發(fā)揮著十分重要的作用。

2、然而，鋼桁拱肋拱橋作為一種大跨柔性結構，對風荷載的作用較為敏感，考慮到鋼結構本身的阻尼系數(shù)較低，架設在開闊水域或河谷的鋼桁拱肋拱橋若遭遇強風作用，很容易引起大幅的振動響應。在現(xiàn)行的行業(yè)設計規(guī)范條文中，尚未給出鋼桁拱肋拱橋抗風問題的相關設計細則，實踐中通常參照日、歐等規(guī)范進行設計驗算，但會導致設計參數(shù)取值過于保守，不利于鋼桁拱肋拱橋抗風設計的經(jīng)濟性，因此目前多以風洞試驗為手段對鋼桁拱肋拱橋的風致響應性能進行研究，以檢驗和評價此類拱橋結構的抗風性能，并設計相應的減振措施。

3、當采用氣彈模型（全稱為氣動彈性模型）進行風洞試驗時，由于氣彈模型是對橋梁結構整體進行等效縮尺，就需要同時考慮到多重參數(shù)的模擬成效，例如在氣動外形上如何與原結構保持一致、在質(zhì)量與剛度分布問題上如何做到相似、在模態(tài)頻率和振型上如何做到等效，尤其是針對氣彈模型與原結構在頻率和振型上的等效模擬。傳統(tǒng)的氣彈模型設計中通常以一階豎彎頻率和一階扭轉頻率進行模型參數(shù)設計，導致拱橋的氣彈模型只能夠模擬實橋振動的一階豎彎頻率和一階扭轉頻率，不能夠模擬實橋振動的多階振動。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：解決現(xiàn)有技術存在的拱橋的氣彈模型僅在桁架的拱肋的內(nèi)部額外布置一根曲型芯梁模擬拱肋的剛度，導致拱橋的氣彈模型只能夠模擬實橋振動的一階豎彎頻率和一階扭轉頻率，不能夠模擬實橋振動的多階振動的問題，提供了一種適用于鋼桁拱肋拱橋氣彈模型的設計方法及制作方法。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

3、一種適用于鋼桁拱肋拱橋氣彈模型的設計方法，包含如下步驟：

4、s1、確定拱橋氣彈模型和實橋的幾何縮尺比?以及風速比?得到設計模型，分別計算出設計模型的拱肋參數(shù)期望值，拱肋參數(shù)期望值包含拱肋抗彎剛度期望值?、拱肋抗扭剛度期望值?、拱肋質(zhì)量期望值?、拱肋質(zhì)量矩期望值?和拱肋阻尼期望值?；

5、s2、采用等效離散法將步驟s1中的設計模型按質(zhì)量均分為多個節(jié)段，相鄰的兩個節(jié)段之間設置壓簧和阻尼元件，壓簧設置有4根，?，4?根壓簧按矩形陣列布置；

6、s3、分別計算設計模型的拱肋參數(shù)等效值，拱肋參數(shù)等效值包含拱肋抗彎剛度等效值?、拱肋抗扭剛度等效值?、拱肋的節(jié)段質(zhì)量等效值?和拱肋阻尼等效值?；

7、s4、計算拱肋參數(shù)等效值和對應的拱肋參數(shù)期望值的拱肋參數(shù)相關性指標?；計算各個節(jié)段的固有頻率相關性指標?；當拱肋參數(shù)相關性指標?和固有頻率相關性指標?均小于或等于對應的閾值時，則完成拱橋氣彈模型的設計。

8、幾何縮尺比?即拱橋氣彈模型的尺寸和實橋的尺寸的比例，風速比?即風洞試驗的風速和實橋環(huán)境中的風速的比例。拱橋氣彈模型按照的尺寸按照幾何縮尺比，則拱橋氣彈模型的氣動外形與實橋的氣動外形沒有差異。氣彈模型的拱肋參數(shù)期望值即氣彈模型的拱肋的相關參數(shù)必須要達到的最低要求。

9、壓簧即壓縮彈簧。拱橋氣彈模型分為多個節(jié)段，相鄰的兩個節(jié)段之間平均設置了四根壓簧，能夠通過四根壓簧的變形來判斷氣彈模型的振動形式：當位于其中一側的兩根彈簧相對于另一側兩根彈簧發(fā)生壓縮或者伸長時，則拱肋表現(xiàn)為豎彎振動或是橫彎振動；當四根彈簧均互相發(fā)生相對壓縮或是伸長時，則拱肋表現(xiàn)為扭轉振動。相較于現(xiàn)有技術僅在拱肋的內(nèi)部額外布置一根曲型芯梁而言，本技術通過設置壓簧，不限制氣彈模型的振動方向，能夠使得氣彈模型能夠的振動能夠模擬實橋的多階的頻率振動。也能夠通過彈簧對氣彈模型的振動可視化。

10、拱肋參數(shù)等效值即氣彈模型分了節(jié)段設置了壓簧和阻尼元件的之后，拱肋相關參數(shù)的計算值。拱肋參數(shù)等效值需大于或等于拱肋參數(shù)期望值。但是拱肋參數(shù)等效值超出相應的閾值之后，會影響氣彈模型的振動，使得氣彈模型的振動不能夠盡可能貼近實橋振動的情況，故拱肋參數(shù)相關性指標?和固有頻率相關性指標?都需要小于相關的閾值，利于提高風洞試驗的精確度。

11、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s1中設計模型的拱肋參數(shù)期望值通過下式計算：

12、

13、

14、

15、

16、

17、其中，?為實橋的拱肋抗彎剛度，?為實橋的拱肋抗扭剛度，?為實橋的拱肋質(zhì)量，?為實橋的拱肋質(zhì)量矩，?為實橋的阻尼。

18、為了使得氣彈模型在風洞試驗中振動的情況更加接近實橋的振動情況，故拱肋阻尼期望值和實橋的阻尼是相同的。

19、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s3中計算拱肋參數(shù)等效值時，先在軟件中建立離散化氣彈模型的有限元模型，在離散化氣彈模型的有限元模型中每個節(jié)段都設置為剛體，相鄰的兩段剛體之間通過彈簧單元連接，得出在各個節(jié)段為剛體的情況下的設計模型的拱肋抗彎剛度參考值?和氣彈模型的拱肋抗扭剛度參考值?，根據(jù)?、壓簧的絲徑?、壓簧的中徑?和壓簧的有效圈數(shù)?計算出?；根據(jù)?、壓簧的絲徑?、壓簧的中徑?和壓簧的有效圈數(shù)?計算出?。

20、肋抗彎剛度等效值?和拱肋抗扭剛度等效值?的計算公式據(jù)實際情況而確定。壓簧的絲徑即制造壓簧的鋼絲直徑；壓簧的中徑即壓簧內(nèi)徑和外徑的平均值；壓簧的有效圈數(shù)即保持相等節(jié)距的圈數(shù)。因為在有限元模型中，每個節(jié)段都設置為了剛體，且在相鄰的剛體之間設置了彈簧單元，但是軟件中的彈簧單元為理想狀態(tài)下的彈簧，故還需考慮到壓簧絲徑、中徑還有有效圈數(shù)。

21、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s3中拱肋的節(jié)段質(zhì)量等效值?和拱肋阻尼等效值?通過下式計算：

22、

23、

24、其中，?為設計模型離散后的節(jié)段的數(shù)量。

25、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s4中拱肋參數(shù)相關性指標?包含抗彎剛度相關性指標?和抗扭剛度相關性指標?，?和?通過下式計算：

26、

27、

28、拱肋參數(shù)相關性指標能夠用于評價設計出的氣彈模型和期望中的氣彈模型的相關參數(shù)的差異，?和?越趨近于0，相關性越好。此處不計算拱肋節(jié)段質(zhì)量和拱肋阻尼的相關性指標是因為?和?是分別等于?和?。

29、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s4中計算固有頻率相關性指標?時通過下式計算：

30、

31、其中，?為設計模型鋼桁拱肋第?階振型的固有頻率的期望值，能夠通過實橋的固有頻率計算得到；?為設計模型鋼桁拱肋第?階振型的固有頻率的等效值，能夠通過設計模型計算得到。

32、結構系統(tǒng)在受到外界激勵產(chǎn)生運動時，將按特定頻率發(fā)生自然振動，這個特定的頻率被稱為結構的固有頻率。通過計算固有頻率相關性指標?，能夠判斷出當下設計的氣彈模型的振動參數(shù)和期望中的氣彈模型的振動參數(shù)的差異，?越趨近于0，則相關性越好。固有頻率能夠直接根據(jù)振動對象的尺寸、材質(zhì)等計算得出。

33、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s3中當拱肋參數(shù)相關性指標?超出閾值時，則調(diào)整節(jié)段的內(nèi)部構造、壓簧的設計參數(shù)和阻尼元件的作用范圍中的至少一項直至拱肋參數(shù)相關性指標?小于或等于閾值；

34、若是固有頻率相關性指標?和模態(tài)保證準則?都小于或等于相應的閾值則完成設計；若是固有頻率相關性指標?和模態(tài)保證準則?至少其中一個超出相應的閾值則調(diào)整壓簧的設計參數(shù)，直至固有頻率相關性指標?和模態(tài)保證準則?均小于或等于相關的閾值。

35、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s4中計算模態(tài)保證準則?時能夠進一步提高修正設計模型的準確性，?通過下式計算：

36、

37、其中，?表明的是第?階振型，?為各個節(jié)段的在第?階振型的情況下振型期望值矩陣，?為?的轉置；?為在第?階振型的情況下各個節(jié)段的振型等效值矩陣，?為?的轉置；?為在第?階振型下計算出的模態(tài)保證準則?。

38、模態(tài)保證準則?為某階振型情況下，各個節(jié)段的振型的相關性。當?越趨近于1，則在該階模態(tài)的情況下，各個節(jié)段振型的相關性越好。實際工程中通常認為值大于等于0.98則認為各個節(jié)段振型的相關性良好。

39、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，步驟s4中計算出，計算出模態(tài)保證準則?后，通過下式計算在第?階振型的情況下的殘差?：

40、

41、計算出?之后，以?為y軸、以振型的階數(shù)為x軸做出相應的函數(shù)曲線圖以判斷設計模型的振型期望值和振型等效值的相關性。

42、函數(shù)曲線的曲線越平穩(wěn)，則氣彈模型整體的振型期望值和振型等效值的相關性越好。

43、一種適用于鋼桁拱肋拱橋氣彈模型的制作方法，氣彈模型通過如上述的一種適用于鋼桁拱肋拱橋氣彈模型的設計方法設計而成；

44、先制作氣彈模型的各個節(jié)段，各個節(jié)段的主桁拱肋和橫梁均由塑料外衣包裹芯梁制作而成，各個節(jié)段剩余的桁架桿件僅采用塑料外衣制作和實橋相似的結構；

45、再拼裝各個節(jié)段，相鄰的兩個節(jié)段之間通過壓簧連接。

46、塑料外衣能夠為abs塑料，也能夠為pp塑料、pc塑料、pvc塑料、pa塑料、pbt塑料等，都是輕質(zhì)構件。因為主桁拱架和橫梁是鋼桁拱肋拱橋的主要承重部件，故制作節(jié)段時主桁拱架和橫梁由塑料外衣包裹芯梁制作而成，其余的桁架桿件僅塑料外衣模擬實橋的外形，則能夠盡可能使得氣彈模型各個節(jié)段的實際質(zhì)量小于期待值，便于后續(xù)調(diào)整。

47、綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是：

48、1、一種適用于鋼桁拱肋拱橋氣彈模型的設計方法，先確定氣彈模型的縮尺比和風速比，根據(jù)氣彈模型的縮尺比和風速比計算出拱肋參數(shù)期望值；再通過等效離散法將氣彈模型按質(zhì)量均分為多個節(jié)段，相鄰的兩個節(jié)段之間設置四根壓簧和阻尼單元，進行阻尼的模擬，之后再根據(jù)現(xiàn)有設計出來的氣彈模型計算拱肋參數(shù)等效值，之后再計算拱肋參數(shù)的相關性指標、固有頻率的相關性指標和模態(tài)保證準則，以此驗證現(xiàn)有設計出的氣彈模型和期望的氣彈模型的相關性。通過在相鄰的兩個節(jié)段之間設置四根壓簧，能夠使得本氣彈模型能夠模擬實橋振動的多階振動，利于提升風洞試驗的穩(wěn)定性。解決了現(xiàn)有技術存在的拱橋的氣彈模型僅在桁架的拱肋的內(nèi)部額外布置一根曲型芯梁模擬拱肋的剛度，導致拱橋的氣彈模型只能夠模擬實橋振動的一階豎彎頻率和一階扭轉頻率，不能夠模擬實橋振動的多階振動的問題。

49、2、一種適用于鋼桁拱肋拱橋氣彈模型的制作方法，相鄰的兩根節(jié)段之間設置壓簧，且每個節(jié)段僅主桁拱架和橫梁內(nèi)部設置有芯梁，能夠盡可能使得氣彈模型每個節(jié)段的實際質(zhì)量小于期望值，便于后續(xù)調(diào)整，利于提升后續(xù)風洞模擬實驗的精確性。