專利名稱：一種斜拉橋拉索水路的模擬測試裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種斜拉橋拉索的雨振測試裝置，尤其涉及一種斜拉橋拉索水路的模擬測試裝置及方法。
背景技術：
斜拉橋是現代大跨橋梁的重要的結構形式，特別是在跨越峽谷、海灣、大江、大河等不易修筑橋墩的地方架設大跨徑的特大橋梁時，往往都選擇懸索橋或斜拉橋。斜拉橋由斜拉索、索塔、主梁、和橋面組成，橋面荷載經主梁傳給斜拉索、再由斜拉索傳到索塔，因此， 斜拉索是斜拉橋受力的關鍵部件。研究發現斜拉橋存在雨振的現象即在一定風速范圍內，由于風雨聯合作用而引起處于一定姿態的斜拉橋拉索(斜拉索)的大振幅振動。而長時間的大幅度振動，會使索端的連接疲勞，并可能引起相鄰兩索碰撞，導致索的破壞，甚至引發橋梁突發事故，同時過大的振動也影響行車舒適度也給過橋者及公眾帶來恐慌。因此斜拉索雨振的現象關系到橋梁結構的安全和壽命，關系到斜拉橋的正常使用，是必須研究的技術問題。對斜拉索的雨振現象的研究表明，雨振現象中斜拉索的振幅的大小與斜拉索表面的水路有密切關系，當出現某種形狀的水路時，會導致斜拉索出現大幅度的振動，因此要研究雨振現象，就必須首先觀測研究斜拉索表面的水路，繪制出水路邊緣(輪廓)的曲線即水路曲線，分析水路曲線在斜拉索上變化的情況與斜拉索振動的關系。現有的斜拉索表面的水路觀測主要用模擬測試的方法，將測試用斜拉索安裝在風洞內，并人工模擬降雨，在斜拉索上安裝感應、檢測裝置以確定斜拉索表面的水路，其中的感應、檢測裝置及方法主要有以下幾種一、在斜拉索表面設置探測器，當水流過探測器的探頭時，探測器自動進行記錄， 通過探測器記錄的數據描述斜拉索上形成的水路。其不足之處是為了得到準確、可靠的數據，這種方法需要大量高精度的探測器，試驗成本高，索面太多的探測器會影響斜拉索的氣動特性導致試驗結果誤差較大；有限的探測器數量不能保證每一點的水流都流過探測器的探頭，影響測試精度。二、在斜拉索表面設置壓電感應裝置，水流流過時產生的壓力，壓電感應裝置將壓力轉換為電信號，送計算機處理。由于風吹到斜拉索表面時會對斜拉索表面產生風壓，這些風壓信號會干擾水流產生的壓力，因此這種方法的誤差較大。而斜拉索表面各點的風壓目前沒有精確的算法，所以排除這種干擾也很困難。三、在斜拉索內部設置超聲波探測儀，通過超聲波反射的信號來確定斜拉索表面的水路變化。這種方法存在以下問題超聲波探測器需要在斜拉索內部隨著水路移動，實施困難；超聲波在斜拉索經填充材料、索、索套、水路等多次反射，這期間會出現波的衍射、 干涉等，導致超聲波探測儀接收的數據的誤差大，且最后接收到的水路信號微弱，可還原性差。
發明內容
本發明的第一個目的就是提供一種斜拉橋拉索水路的模擬測試裝置，該裝置能更準確地測試斜拉橋拉索的水路，并能準確的描繪出水路曲線在任意時刻的靜止狀態及不同時刻之間的變化情況；其測量精度高，結構簡單，能為研究斜拉橋梁的雨振現象提供更加可靠、客觀的依據，為斜拉橋的設計與施工提供可靠的保證。本發明為實現其發明目的，所采用的技術方案是一種斜拉橋拉索水路的模擬測試裝置，其組成是試驗用的斜拉索兩端分別通過上下二根懸吊彈簧與四邊形的鋼框架上下邊框相連，下方的懸吊彈簧中串聯弓形應變式傳感器；斜拉索的兩端還設有加速度儀，斜拉索的二端通過L型桿與阻尼器連接，阻尼器固定安裝在鋼框架的側框上；斜拉索的一端通過柔性拉繩固定在側框上，斜拉索的另一端通過另一條柔性拉繩固定在鋼框架外的固定占上-鋼框架下部的一角鉸接在轉盤上，鋼框架的下邊框與轉盤之間設有千斤頂；斜拉索正上方設置有噴水裝置，斜拉索較高一端的上部設置有噴水管，鋼框架的側邊框上方安裝有攝像機。本發明的第二個目的是提供一種斜拉橋拉索水路的模擬測試方法。本發明實現其發明目的，所采用的技術方案是使用上述的斜拉橋拉索的水路的模擬測試裝置進行斜拉橋拉索水路的模擬測試的方法，由以下步驟組成A、將模擬測試系統安裝在風洞內，然后在試驗用斜拉索上繪制間距為Icm的多個環向圓環，在斜拉索的正上方位置繪制軸向0度線，在偏離軸向0度線30度處繪制一條平行于0度線的30度線；B、打開風洞的風機和噴水裝置、噴水管，使水落在斜拉索上部形成薄膜狀水路，打開攝像機對準斜拉索進行拍攝；并同時通過懸吊彈簧中串聯的弓形應變式傳感器以及斜拉索的兩端設置的加速度儀監測斜拉索的振動情況；C、將攝像機拍攝的視頻導入截圖軟件，截出照片；D、將C步的照片導入數據處理及繪圖軟件中，標定斜拉索(7)上的水路邊緣與各個環向圓環相交的水流點的坐標位置，進而繪出當前時刻的水路曲線。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明對雨振現象利用攝像機進行非接觸式的可視化拍攝跟蹤，并通過圓環、0度線和30度線進行坐標標定，以實現對拍攝視角誤差(遠小近大)的校正，定位水路的各點位置，既能精確定位水路任意時刻的靜止位置，同時也可觀察不同時刻之間的水路的變化及運動情況，對水路及其所產生的振動無任何干擾和影響，對水路的測繪結果準確、可靠。無需在斜拉索表面設置探測器、壓電感應裝置或者在斜拉索內部設置超聲波探測儀等任何的復雜精密的儀器，結構簡單，安裝操作方便，試驗成本低。通過調節噴水量和風洞的風量，本發明可以模擬各種風雨條件下斜拉索的水路時程，通過轉盤的轉動即可進行不同風向條件下的水路測試；功能多，使用方便。總之，本發明裝置能方便準確地繪制出模擬風雨條件下的待測斜拉索的水路靜止曲線與變化狀況及其相應的振動情況，為斜拉橋梁的雨振現象的分析，提供準確的實驗依據，進而為斜拉橋的設計與施工提供可靠的實驗保證。上述的斜拉索的兩端及鋼框架側框的對應位置還設置有連接固定橫桿的螺母。
這樣，當固定橫桿固定在螺母之間時，斜拉索的位置也就固定了，從而無法發生上下振動，可測出斜拉索在不發生振動的靜止狀態下的水路曲線及其變化。上述D步標定斜拉索上的水流點的坐標位置，繪出水路曲線的具體作法是在數據處理及繪圖軟件中分別標定每個圓環上的水流點、每個圓環與0度線及30度線的交點坐標；以每個圓環與0度線及30度線的交點坐標計算該兩交點的距離da，以每個圓環上的水流點坐標和該圓環與0度線的交點坐標計算該兩點的距離dSI，根據斜拉索半徑R計算得到
實際斜拉索圓環上的水流點到圓環與0度線交點的弧長勾zaiiarcsiiK^^x^)，以各圓環
2 clCI
的展開線長度為縱坐標，圓環的橫向距離為橫坐標構成還原坐標系；在還原坐標系中標示出各水流點的弧長L1,即繪制出各水流點在當前時刻的還原系坐標，將這些水流點的還原坐標點平滑連接，即繪制出水路曲線。這樣，借助圓環、0度線和30度線簡單有效地實現了水流點的拍攝視角誤差(遠小近大)校正，能更加準確、可靠地定位水路的位置，繪制出的水路曲線更精確。進而通過觀察與分析不同時刻的水路曲線，即可得到水路在一段時間里的變化與運動情況。從而計算水路的振動周期、頻率，再與加速度儀采集到的斜拉索振動情況進行對比，實現兩者關系的研究。下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。
圖1為本發明實施例裝置的結構示意圖。圖2為本發明圖1中裝置的螺母連上固定橫桿的結構示意圖。圖3為本發明實施例在還原坐標系中繪制出的一條水路曲線及0度線與30度線。
具體實施例方式實施例圖1示出，本發明的一種具體實施方式
為一種斜拉橋拉索水路的模擬測試裝置， 其構成是試驗用斜拉索7兩端分別通過上下二根懸吊彈簧8與四邊形的鋼框架3上下邊框相連，下方的懸吊彈簧8中串聯弓形應變式傳感器5 ；斜拉索7的兩端還設有加速度儀6， 斜拉索7的二端通過L型桿12與阻尼器9連接，阻尼器9固定安裝在鋼框架3的側框上； 斜拉索7的一端通過柔性拉繩10固定在側框上，斜拉索7的另一端通過另一條柔性拉繩10 固定在鋼框架3外的固定點上；該固定點可以是鋼框架外設置的固定桿，或者試驗場的墻壁，這樣可以防斜拉索沿索向發生振動。鋼框架3下部的一角鉸接在轉盤1上，鋼框架3的下邊框與轉盤1之間設有千斤頂2 ；斜拉索3上方設置有噴水裝置11，鋼框架3的側邊框上方安裝有攝像機13。斜拉索7的兩端及鋼框架3的側框的對應位置還設置有連接固定橫桿14a的螺母 14。圖1、3示出，使用上述的斜拉橋拉索的水路的模擬測試裝置進行斜拉橋拉索的水路的模擬測試的方法，由以下步驟組成A、將模擬測試系統安裝在風洞內，然后在試驗用的斜拉索7上繪制間距為Icm的
權利要求
1.一種斜拉橋拉索的水路的模擬測試裝置，其特征在于試驗用斜拉索(7)兩端分別通過上下二根懸吊彈簧(8)與四邊形的鋼框架C3)上下邊框相連，下方的懸吊彈簧⑶中串聯弓形應變式傳感器(5)；斜拉索(7)的兩端還設有加速度儀(6)，斜拉索(7)的二端通過L型桿(12)與阻尼器(9)連接，阻尼器(9)固定安裝在鋼框架(3)的側框上；斜拉索(7)的一端通過柔性拉繩(10)固定在側框上，斜拉索(7)的另一端通過另一條柔性拉繩(10)固定在鋼框架C3)外的固定點上；鋼框架C3)下部的一角鉸接在轉盤(1)上，鋼框架(3)的下邊框與轉盤(1)之間設有千斤頂O)；斜拉索C3)正上方設置有噴水裝置(11)，斜拉索(7)較高一端的上部設置有噴水管(19)，鋼框架(3)的側邊框上方安裝有攝像機(13)。
2.如權利要求1所述的一種斜拉橋拉索的水路的模擬測試裝置，其特征在于所述的斜拉索(7)的兩端及鋼框架(3)的側框的對應位置還設置有連接固定橫桿(14a)的螺母 (14)。
3.使用上述的斜拉橋拉索的水路的模擬測試裝置進行斜拉橋拉索的水路的模擬測試方法，由以下步驟組成A、將模擬測試系統安裝在風洞內，然后在試驗用的斜拉索(7)上繪制間距為Icm的多個環向圓環(16)，在斜拉索(7)的正上方位置繪制軸向0度線(15)，在偏離軸向直線(15) 的30度處繪制一條平行于0度線(15)的30度線(18)；B、打開風洞的風機和噴水裝置(11)、噴水管(19)，使水落在斜拉索(7)上部形成薄膜狀水路，打開攝像機(13)對準斜拉索(7)進行拍攝；并同時通過懸吊彈簧⑶中串聯的弓形應變式傳感器(5)以及斜拉索(7)的兩端設置的加速度儀(6)監測斜拉索的振動情況；C、將攝像機(13)拍攝的視頻導入截圖軟件，截出照片；D、將C步的照片導入數據處理及繪圖軟件中，標定斜拉索(7)上的水路邊緣與各個環向圓環(16)相交的水流點(30a)的坐標位置，進而繪出當前時刻的水路曲線(30)。
4.如權利要求3所述的一種斜拉橋拉索的水路的模擬測試方法，其特征在于所述D 步標定斜拉索(7)上的水流點的坐標位置，繪出水路曲線的具體作法是在數據處理及繪圖軟件中分別標定每個圓環(16)上的水流點(30a)、每個圓環(16)與0度線(15)及30度線(18)的交點坐標；以每個圓環(16)與0度線(15)及30度線(18)的交點坐標計算該兩交點的距離da，以每個圓環上的水流點(30a)坐標和該圓環與0度線(15)的交點坐標計算該兩點的距離dSI，根據斜拉索半徑R計算得到實際斜拉索圓環上的水流點(30a)到圓環與0度線交點的弧長勾zaiiarcsirK^^x^L)，以各圓環(16)的展開線長度為縱坐標，圓環2clCI(16)的橫向距離為橫坐標構成還原坐標系；在還原坐標系中標示出各水流點(30a)的弧長 L1，即繪制出各水流點(30a)在當前時刻的還原系坐標，將這些水流點的還原坐標點平滑連接，即繪制出水路曲線(30)。
全文摘要
一種斜拉橋拉索水路的模擬測試裝置及方法，裝置的組成是試驗用斜拉索兩端分別通過上下二根懸吊彈簧與四邊形的鋼框架上下邊框相連，下方的懸吊彈簧中串聯弓形應變式傳感器；斜拉索的兩端還設有加速度儀，斜拉索的二端還與阻尼器的連桿固定連接，阻尼器固定安裝在鋼框架的側框上；鋼框架下部的一角鉸接在轉盤上，鋼框架的下邊框與轉盤之間設有千斤頂；斜拉索上方設置有噴水裝置，鋼框架的側邊框上方安裝有攝像機。該裝置能更準確地測試斜拉橋拉索的水路，測量精度高，結構簡單，為研究斜拉橋的雨振現象提供更加可靠、客觀的依據，為斜拉橋的設計與施工提供可靠的保證。
文檔編號G01M9/06GK102175421SQ20111002925
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月27日 優先權日2011年1月27日
發明者廖海黎, 李明水, 李永樂, 鄭史雄 申請人:西南交通大學