摆式气弹模型及气弹模型测震风洞试验方法

技术领域

本发明涉及一种建筑工程结构抗风设计试验技术，具体来说，特别是涉及一种进行风洞试验的摆式气弹模型及气弹模型测震风洞试验方法。

背景技术

近年来，随着建筑高度的增加和轻质高强材料的运用，使得高层建筑的风振响应越来越显著，因此对其结构抗风设计的要求非常高，必须准确把握其气动弹性效应。

输电塔作为一种高层建筑，是典型的风敏感结构，在风荷载作用下倒塔断线的事故时有发生。而作为电力传输的重要载体，输电塔的安全性是我国经济又好又快发展的重要保障，因此优良的抗风设计对输电塔机构非常重要。

风洞试验是测试结构设计好坏的重要试验手段，目前的风洞试验方法包括刚性模型测力试验与气弹模型测振风洞试验。气弹模型又包括摆式气弹模型和全气弹模型，其中全气弹模型由于设计和制作十分复杂，耗时耗力，应用起来十分复杂，使用不多；而摆式气弹模型由于制作相对简单，是目前一种广泛使用的气弹模型设置及制作方法。然而现有的摆式气弹模型将结构X轴向、Y轴向和扭转向的振动均采用同一层弹簧来控制，由于弹簧之间的受力不均匀性，其各轴向的振动相互耦合，无法保证试验的准确性。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术中，摆式气弹模型各轴向的振动相互耦合，无法保证试验准确性的缺陷，本发明的目的是提供一种摆式气弹模型，该模型可以得到更准确的试验结果。本发明的另一目的是提供一种气弹模型测震风洞试验方法，该方法使各轴向振动相互不耦合，可以得到更准确的试验结果。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种摆式气弹模型，其技术方案如下：该摆式气弹模型包括高层建筑刚性模型、刚性支杆、支架；所述高层建筑刚性模型安装于竖直设置的刚性支杆上端，且位于支架上方；还包括水平设置于支架上的扭转向振动层、X轴向振动层和Y轴向振动层；所述扭转向振动层包括第一弹簧和连接架，所述第一弹簧为两条，平行设置；所述连接架为对角线由刚性杆连接的方形框，所述连接架通过方形框对角线的两个顶点分别连接两条第一弹簧，所述第一质量块为两个，分别固定于方形框其余两个顶点上，所述刚性支杆连接于方形框中两条刚性杆连接的对角线交叉点；所述X轴向振动层包括沿X轴方向设置的第二弹簧，其沿X轴向的两端均固定于支架上，中部连接刚性支杆；所述Y轴向振动层包括沿Y轴方向设置的第三弹簧，其沿Y轴向的两端均固定于支架上，中部连接刚性支杆。

使用该摆式气弹模型进行试验时，由于扭转向振动层控制扭转向的振动，X轴向振动层控制X轴向的振动，Y轴向振动层控制Y轴向的振动，各振动层之间并不相互干扰，因此，其X轴向、Y轴向和扭转向的振动并不相互耦合，并且扭转向的振动由连接架控制，仅在扭转向振动，不产生X轴向或Y轴向的振动，可获得准确的试验结果。

下面对进一步技术方案进行说明：

在一些实施例中，所述X轴向振动层还包括滑道一；所述第二弹簧为两条，在水平面上平行设置；所述滑道一连接两条第二弹簧，并与第二弹簧垂直；所述刚性支杆穿过滑道一，并与滑道一滑动配合；所述Y轴向振动层还包括滑道二；所述第三弹簧为两条，在水平面上平行设置；所述滑道二连接两条第三弹簧，并与第三弹簧垂直；所述刚性支杆穿过滑道二，并与滑道二滑动配合。使各振动层能够获得持续稳定的振动同时，还可以使刚性支杆在滑道一中滑动，保证其左右方向的运动不受限制，并使刚性支杆在滑道二中滑动，保证其前后方向的运动不受限制。

在一些实施例中，所述滑道一为两条平行设置的轨道，滑道二也为两条平行设置的轨道。结构简单，刚性支杆由两条轨道中间穿过，且由两条轨道限位，使其相对于轨道仅作左右或前后方向的滑动。

在一些实施例中，还包括套装于刚性支杆上的轴承一、轴承二和轴承三，所述轴承一和轴承二分别设于滑道一和滑道二内；所述轴承三位于高层建筑刚性模型与支架之间。将该模型安装至风场中进行风洞试验时，将轴承三安装于高层建筑刚性模型与支架之间，即风场底板处，保证振动阻尼，减少刚性支杆与风场底板之间的摩擦产生的耗能。同样，轴承一和轴承二用于保证刚性支杆扭转向振动不受影响和阻碍。

在一些实施例中，还包括与滑道二连接的第二质量块和与滑道三连接的第三质量块，所述第二质量块位于滑道二所在竖直平面外，所述第三质量块位于滑道三所在竖直平面外。通过调节质量块的质量来设计调节X轴向和Y轴向的振动。

在一些实施例中，还包括位于刚性支杆下方的油阻尼装置，所述刚性支杆下端伸入该油阻尼装置的阻尼油中。从而获得适当的结构阻尼比。

在一些实施例中，所述扭转向振动层与X轴向振动层或Y轴向振动层之间的距离大于X轴向振动层与Y轴向振动层之间的距离。应用时，根据实际情况，尽量使扭转向振动层远离X轴向振动层和Y轴向振动层。使结构扭转向的转动惯量和刚度对X轴和Y轴的横向振动影响最小。

在一些实施例中，所述高层建筑刚性模型为输电塔的刚性模型。用于进行输电塔的风洞试验。

本发明还提供一种气弹模型测震风洞试验方法，包括以下步骤：

1）安装如前述的摆式气弹模型；

2）根据试验要求分别调整扭转向振动层、X轴向振动层和Y轴向振动层中各弹簧的刚度和质量块的质量，使X轴向振动层和Y轴向振动层的振动频率满足试验对X轴和Y轴向的振动要求，使扭转向振动层的扭转惯量也满足试验要求；同时使整个模型的质量同样满足试验要求；

3）将上述满足试验要求的摆式气弹模型放入风场中，进行风洞试验。

下面对前述技术方案的优点进行说明：

本发明的摆式气弹模型，通过将模型X轴向、Y轴向和扭转向振动分别进行控制的原理来实现，使各振动层之间并不相互干扰，避免了现有结构的不足，保证了X轴向、Y轴向和扭转向的振动并不相互耦合，能更真实的反映结构抗风效果，可获得准确的试验结果。并且可通过改变弹簧的刚度和质量块的质量来设计和灵活的控制各振动层，更准确的模拟结构的刚度和质量。同时可通过设计制作不同的高层建筑刚性模型，模拟不同建筑，其余部件可重复使用，具有成本低、制作方便的优点。

本发明的气弹模型测震风洞试验方法，将结构X轴向、Y轴向和扭转向的振动采用不同层的弹簧控制，使各轴向振动相互不耦合，能更真实的反映结构抗风效果，可以得到更准确的试验结果。

附图说明

图1是本发明实施例所述的摆式气弹模型结构示意图；

图2是本发明实施例的扭转向振动层结构示意图；

图3是本发明实施例的X轴向振动层结构示意图；

图4是本发明实施例的Y轴向振动层结构示意图。

附图标记说明：1. 高层建筑刚性模型；2. 刚性支杆；3. 支架；4. 扭转向振动层；5. X轴向振动层；6. Y轴向振动层；7. 第一弹簧；8. 连接架；9. 第一质量块；10. 第二弹簧；11. 第三弹簧；12. 滑道一；13. 滑道二；14. 轴承一；15. 轴承二；16. 轴承三；17. 第二质量块；18. 第三质量块。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明：

如图1所示，一种摆式气弹模型，包括高层建筑刚性模型1、刚性支杆2、支架3；所述高层建筑刚性模型1安装于竖直设置的刚性支杆2上端，且位于支架3上方；还包括水平设置于支架3上的扭转向振动层4、X轴向振动层5和Y轴向振动层6；所述扭转向振动层4包括第一弹簧7和连接架8，所述第一弹簧7为两条，平行设置；所述连接架8为对角线由刚性杆连接的方形框，所述连接架8通过方形框对角线的两个顶点分别连接两条第一弹簧7，所述第一质量块9为两个，分别固定于方形框其余两个顶点上，所述刚性支杆2连接于方形框中两条刚性杆连接的对角线交叉点；所述X轴向振动层5包括沿X轴方向设置的第二弹簧10，其沿X轴向的两端均固定于支架3上，中部连接刚性支杆2；所述Y轴向振动层6包括沿Y轴方向设置的第三弹簧11，其沿Y轴向的两端均固定于支架3上，中部连接刚性支杆2。

使用该摆式气弹模型进行试验时，由于扭转向振动层4控制扭转向的振动，X轴向振动层5控制X轴向的振动，Y轴向振动层6控制Y轴向的振动，各振动层之间并不相互干扰，因此，其X轴向、Y轴向和扭转向的振动并不相互耦合，并且扭转向的振动由连接架8控制为仅在扭转向振动，不产生X轴向或Y轴向的振动，可获得准确的试验结果。

如图2所示，所述扭转向振动层4中，所述第一弹簧7为两条，平行设置；所述连接架8为对角线由刚性杆连接的方形框，所述连接架8通过方形框对角线的两个顶点分别连接两条第一弹簧7，所述第一质量块9固定于方形框其余两个顶点上，所述刚性支杆2连接于方形框中两条刚性杆连接的对角线交叉点。所述扭转向振动层4的结构简单、稳定，保证扭转向的振动满足试验要求。

如图3所示，所述X轴向振动层5还包括滑道一12；所述第二弹簧10为两条，在水平面上平行设置；所述滑道一12连接两条第二弹簧10，并与第二弹簧10垂直；所述刚性支杆2穿过滑道一12，并与滑道一12滑动配合；如图4所示，所述Y轴向振动层6还包括滑道二13；所述第三弹簧11为两条，在水平面上平行设置；所述滑道二13连接两条第三弹簧11，并与第三弹簧11垂直；所述刚性支杆2穿过滑道二13，并与滑道二13滑动配合。使各振动层能够获得持续稳定的振动同时，还可以使刚性支杆2在滑道一12中滑动，保证其左右方向的运动不受限制，并使刚性支杆2在滑道二13中滑动，保证其前后方向的运动不受限制。

所述滑道一12为两条平行设置的轨道，滑道二13也为两条平行设置的轨道。结构简单，刚性支杆2由两条轨道中间穿过，且由两条轨道限位，使其相对于轨道仅作左右或前后的滑动。

还包括套装于刚性支杆2上的轴承一14、轴承二15和轴承三16，所述轴承一14和轴承二15分别设于滑道一12和滑道二13内；所述轴承三16位于高层建筑刚性模型1与支架3之间。将该模型安装至风场中进行风洞试验时，将轴承三16安装于高层建筑刚性模型1与支架3之间，即风场底板处，保证振动阻尼，减少刚性支杆2与风场底板之间的摩擦产生的耗能。同样，轴承一14和轴承二15用于保证刚性支杆2扭转向振动不受影响和阻碍。

还包括与滑道二13连接的第二质量块17和与滑道三连接的第三质量块18，所述第二质量块17位于滑道二13所在竖直平面外，所述第三质量块18位于滑道三所在竖直平面外。通过调节质量块的质量来设计调节X轴向和Y轴向的振动。

还包括位于刚性支杆2下方的油阻尼装置，所述刚性支杆2下端伸入该油阻尼装置的阻尼油中。从而获得适当的结构阻尼比。

所述扭转向振动层4与X轴向振动层5或Y轴向振动层6之间的距离大于X轴向振动层5与Y轴向振动层6之间的距离。应用时，根据实际情况，尽量使扭转向振动层4远离X轴向振动层5和Y轴向振动层6。使结构扭转向的转动惯量和刚度对X轴和Y轴的横向振动影响最小。

所述高层建筑刚性模型1为输电塔的刚性模型。用于进行输电塔的风洞试验。为了模拟不同的高层建筑时，各弹簧和质量块是可以通过简单的连接方式更换，保证能模拟不同高层建筑结构的质量和刚度。

采用本实施例的摆式气弹模型进行气弹模型测震风洞试验方法，包括以下步骤：

1）按照上述的模型结构，将模型搭建好。

2）对于扭转向振动，通过设置扭转向振动层4的第一弹簧7的刚度和第一质量块9的质量来模拟结构的转动惯量和刚度；对于X轴向的振动频率（即水平方向上的前后运动），通过设置X轴向振动层5的第二弹簧10的刚度和第二质量块17的质量来进行调节，并且刚性支杆2穿过滑道二13，其左右方向的运动不受限制；对于Y轴向的振动频率（即水平方向上的左右运动），通过设置Y轴向振动层6的第三弹簧11的刚度和第三质量块18的质量来进行调节，并且刚性支杆2穿过滑道三，其前后方向的运动不受限制。

3）把上述满足试验要求的摆式气弹模型放入风场中，将支架3顶部与风场底板（即模拟地面）安装固定，使上部分的输电塔模型处于风场底板上方，接受强风的作用，支架3和各振动层处于风场底板下方，其中，所述轴承三16位于高层建筑刚性模型1与支架3之间，即风场底板处，保证振动阻尼，减少刚性支杆2与风场底板之间的摩擦产生的耗能。

4）开始进行风洞试验，收集试验数据进行研究。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。