专利摘要

本实用新型提供了一种大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，包括起固定支撑作用的桥墩、模拟主梁边界条件的支座、模拟箱梁刚度的芯梁和模拟气动外形的外衣。装置主要部件可以多次重复利用，并可方便调整多种参数，以适应不同桥梁工程的模拟需求。相比于风洞试验方法，基于该试验装置可以使得试验模型不受风洞尺寸限制，模型缩尺比例可以数倍于大型风洞试验模型，可以提高模型刚度、频率比、风速比，大幅提高雷诺数，试验精度也得以提高；而且无需占用大型风洞试验设备，也可节省大量能耗。相比于实桥现场试验，本装置方便改变桥梁模型参数，可以多次重复利用，因此更便于开展全面系统的涡振研究，试验难度和成本大幅降低。

权利要求

1.一种大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，其特征在于，所述的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置包括桥墩(1)、支座(2)、箱梁芯梁(3)、变高度钢板或铝板(4)和箱梁气动外衣(5)；桥墩(1)置于平坦地面，保证足够高度、强度、刚度及抗倾覆性；支座(2)固结在桥墩(1)顶部；箱梁芯梁(3)置于支座(2)顶部，与其简支、铰支或固支；箱梁气动外衣(5)包裹在箱梁芯梁(3)外部。

2.根据权利要求1所述的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，其特征在于，根据需求，增设变高度钢板或铝板(4)，变高度钢板或铝板(4)焊接在箱梁芯梁(3)的表面，以模拟变截面连续钢箱梁桥不同断面竖弯刚度；此时，箱梁气动外衣(5)包裹在箱梁芯梁(3)和变高度钢板或铝板(4)外部，并且变高度钢板或铝板(4)置于部分支座(2)顶部，与其简支、铰支或固支。

3.根据权利要求1或2所述的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，其特征在于，根据试验需要，添加栏杆(6)、中央分隔带(7)和配重块(8)，栏杆(6)、中央分隔带(7)连接于箱梁气动外衣(5)上；配重块(8)焊接于箱梁芯梁(3)上。

4.根据权利要求1或2所述的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，其特征在于，该试验装置还包括加速度传感器(9)、高速摄像机(10)以及三维风速仪(11)，涡振加速度和位移信号分别采用加速度传感器(9)或高速摄像机(10)采集，现场试验时风场参数通过三维风速仪(11)监测。

5.根据权利要求3所述的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，其特征在于，该试验装置还包括加速度传感器(9)、高速摄像机(10)以及三维风速仪(11)，涡振加速度和位移信号分别采用加速度传感器(9)或高速摄像机(10)采集，现场试验时风场参数通过三维风速仪(11)监测。

6.根据权利要求1、2或5所述的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，其特征在于，所述的箱梁气动外衣(5)的材质为有机玻璃板、铝板、钢板或泡沫板。

7.根据权利要求3所述的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，其特征在于，所述的箱梁气动外衣(5)的材质为有机玻璃板、铝板、钢板或泡沫板。

8.根据权利要求4所述的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，其特征在于，所述的箱梁气动外衣(5)的材质为有机玻璃板、铝板、钢板或泡沫板。

说明书

技术领域

本实用新型属于桥梁抗风设计中连续钢箱梁桥涡振试验研究技术领域，涉及大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场中涡振研究的一种试验装置。

背景技术

大跨连续钢箱梁桥具有跨越能力强、结构刚度大、抗震性能好、施工方便、高速行车平顺等优点备受桥梁设计者青睐，在世界各地已经建造大量大跨连续钢箱梁桥，将来还将建造更多、更大跨度的连续钢箱梁桥。大跨连续钢箱梁桥由于断面较钝、质量较轻、阻尼较小、频率较低，实桥发生大幅竖弯涡振案例不乏枚举，例如俄罗斯伏尔加河桥、日本东京湾桥和中国崇启桥等均发生过大幅竖向涡振。幸运的是，至今未发现有大跨连续钢箱梁桥扭转涡振的相关报道，因此可以暂且对其不予关注。

大跨连续钢箱梁桥涡振尽管不会导致结构灾难性的破坏，但会影响行车舒适性和安全性，引发构件疲劳损伤甚至破坏，且会造成广泛的不良社会影响。因此，大跨连续钢箱梁桥涡振需要严格控制。对于大跨连续钢箱梁桥涡振研究，以往主要包括两种方法：气弹模型风洞试验和实桥现场监测。风洞试验优点包括：(1)风场参数(如风速、风向、风攻角、紊流度等)可控，可以根据需要设定；(2)风洞试验在室内进行，一般不受大气环境(如季节、昼夜、风雨、气温等)变化的影响；(3)模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便，可以连续试验。缺点包括：(1)风洞试验模型较小(比例1:100-1:50)，雷诺数效应明显；(2)需要专门大型风洞实验室，且有较高的能耗；(3)风洞难以模拟复杂的自然风场特性。实桥现场监测优点包括：(1)通过现场布设风速仪、加速度等传感器，可获取桥梁结构在实际来流条件下的涡振，属于一手真实资料；(2)不受相似准则限制，细部构造、几何非线性和材料非线性等均为真实体现；(3)结合桥梁健康监测系统可对桥梁风致响应进行长期监测。缺点包括：(1)实桥传感器布置存在诸多问题，难度大、投入高、维护成本高；(2)桥梁涡振发生频次有限，实测数据少，难以获得大量有研究价值的实测数据资料；(3)桥梁一旦建成，很难调整系统参数(气动外形、模态参数、边界条件等参数)，研究效率低。

相对于缆索承重桥梁(斜拉桥、悬索桥、有吊杆拱桥)，钢箱梁桥构造及受力相对简单，模型设计需要满足条件相对较少，设计制作难度也较低。其主要特点包括：(1)模型设计不必严格满足Froude数相似准则，因此实桥与模型之间的频率比可根据模型缩尺比和风速比在很大范围内选择，基本不受限制，这对模拟刚度的芯梁模型材料的选择提供了极大的方便；(2)桥墩造型、高度和刚度对钢箱梁竖弯涡振基本没有影响，因此无需针对每座待试验桥梁都专门做一组桥墩模型，可以重复利用相同桥墩模型，因此可以大大缩短试验周期，节省试验成本；(3)等截面连续钢箱梁竖弯刚度和质量分布沿桥轴向基本不变，因此模拟刚度的芯梁可以直接采用市面非常容易买到的轻质高强耐腐防锈金属型材，如镀锌钢管、槽钢、钢排架、铝管、槽铝、铝排架等，其尺寸、数量等根据实桥钢箱梁的质量和刚度等参数确定，基本不必专门设计加工处理，而且等截面芯梁可多次重复利用，并可拼装成多种形式、调整其刚度以满足不同的试验需求，因此费用也大大降低；另外，为了提高涡振锁定风速，可以提高芯梁刚度和振动频率，进而提高风速比和试验精度；(4)对于变截面箱梁，其竖弯刚度和质量分布沿桥纵向变化，因此可以采用变高度钢板或铝板焊接在等截面型材顶板或底板，其钢板厚度、高度和数量根据刚度相似设计，设计计算及加工都非常方便；(5)模拟箱梁气动外形的外衣可以采用有机玻璃板、铝板、钢板、泡沫板等制作，也可以根据研究需要非常方便地调整气动外形(比如加厚、加宽、调整角度等)；(6)大跨连续钢箱梁桥一般采用两跨或三跨一联，也有多跨一联实际工程，但为了增大模型比例和提高试验精度，多跨情况也一般简化近似两跨或三跨模型，相应地需要三个或四个桥墩。根据试验场地条件，可以固定一个桥墩位置，其他桥墩位置可调，以方便适应不同的跨度和桥梁轴向和风向需求。基于以上原因，因此可以制作供不同跨径和不同主梁断面多次使用的试验平台和装置，便于连续箱梁涡振全面综合研究，大大缩短试验周期，降低试验成本。针对风洞试验和现场实测方法研究大跨连续钢箱梁桥涡振面临的不足，提出采用超大比例气弹模型在良好自然风场中开展涡振试验研究的方法及装置，具有其相对优势和特色。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对大跨连续钢箱梁桥涡振研究的需要，提供一种可以弥补目前风洞试验方法及实桥观测方法面临的某些不足，在良好的自然风场中开展不同工况条件下大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型涡振的试验装置。该装置主要包括桥墩、支座、箱梁芯梁、变高度钢板或铝板、箱梁气动外衣、栏杆、中央分隔带和配重块。另外，可以根据试验条件和需求，增设加速度传感器、高速摄像机和风速仪等仪器设备。

本实用新型的技术方案：

大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，置于具有良好自然风场条件(风速高、风场稳、紊流度低，风场持时长)的平坦开阔试验场地。试验装置包括桥墩1、支座2、箱梁芯梁3、变高度钢板或铝板4(调整变高度箱梁断面竖弯刚度)、箱梁气动外衣5、栏杆6、中央分隔带7、配重块8。桥墩1保证足够高度、强度及刚度。根据气弹模型缩尺比例(1:20-1:10)，出于经济性和便利性考虑，一般可以采用两端封口的圆形(直径0.5-0.8m)或矩形(0.5-0.8m)钢管(壁厚一般为10～20mm)制作，高度一般为2.5～4m，钢管底部焊在作为基座的钢板(横桥向长度2-2.5m，纵桥向宽度0.8-1m，厚度15-20mm)顶面。在钢板基座上放置混凝土块压重(一方面可以尽量节省造价，不足钢材的1/10；另一方面与钢板基座分离，方便移动，不会锈蚀)，防止桥墩1在风荷载作用下发生倾覆。在钢板基座靠近四个角点处设置吊耳，方便桥墩1起吊调整位置。支座2固结在桥墩1顶部，支座2可以采用合适的千斤顶，方便调整模型两侧高度，即改变模型与水平面的夹角，以实现不同风攻角；箱梁芯梁3放置于支座2顶部，与其简支、铰支或固支，对于等截面连续桥梁，其刚度和质量分布沿桥轴向基本不变，因此箱梁芯梁3一般可选取等截面金属型材；对于变截面箱梁，可以采用变高度钢板或铝板4焊接在等截面型材顶板或底板模拟；箱梁气动外衣5包裹在箱梁芯梁3和变高度钢板或铝板4上，箱梁气动外衣5与芯梁3需要横隔板或其他合适连接件固结在一起，箱梁气动外衣5也可以根据研究需要通过加厚、加宽、调整角度等方便地调整气动外形；对于成桥状态，也可根据需要添加栏杆6、中央分隔带7等附属设施，以便研究不同气动外形下的超大比例连续钢箱梁桥模型的涡振现象。另外，可能还需要配重块8根据芯梁3和变高度钢板或铝板4、箱梁气动外衣5、栏杆6、中央分隔带7等已有构件质量模拟系统质量分布，以实现模态振型及模态质量的相似。根据相关理论可知，在其他条件不变条件下，涡振响应与Scruton数(与质量和阻尼比乘积相关)相关。因此，可以通过提高阻尼比方式来大幅降低模型质量，由此可以降低试验费用(材料费、加工费、安装费等)。超大比例连续钢箱梁桥气弹模型风致加速度和位移振动信号采用加速度传感9或高速摄像机10采集，现场试验时风场参数(风速，风向等)可以通过三维风速仪11监测。

本实用新型的有益效果：在良好的自然风场中开展大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型涡振试验，具有如下优越性：(1)无需大型风洞试验设备，节省大量能耗；(2)模型缩尺比相对大型风洞试验可以提高3倍，甚至更大，模型比例可以达到1/10，而风洞实验室全桥气弹模型缩尺比动辄低于1/50；(3)风洞实验室无法真实模拟自然风场特性，部分参数(如风速谱，积分尺度等)差别很大；(4)相对实桥现场实测，本装置方便改变桥梁自身条件(跨度、桥梁轴向、气动外形、质量、刚度、阻尼、攻角)，可以多次重复利用，因此更便于开展全面系统研究；(5)相对实桥现场实测，试验难度和成本大幅降低，传感器及测试设备方便拆装、检测。

附图说明

图1是大跨等截面连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置构造图。

图2是大跨变截面连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置构造图。

图3是箱梁芯梁、变高度钢板或铝板连接示意图。

图4是桥墩钢板基座、吊耳和混凝土块局部示意图。

图5是大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置立面布置图。

图中：1桥墩；2支座；3箱梁芯梁；4变高度钢板或铝板；5箱梁气动外衣；6栏杆；7中央分隔带；8配重块；9加速度传感器；10高速摄像机；11三维风速仪。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本实用新型的具体实施方式。

如图1、图2、图3、图4以及图5所示，大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置，试验装置包括桥墩1、支座2、箱梁芯梁3、变高度钢板或铝板4、箱梁气动外衣5、栏杆6、中央分隔带7、配重8。桥墩1置于平坦地面，保证足够高度、强度、刚度及抗倾覆性，桥墩1位置可以根据跨径及桥轴向需要进行调整；支座2固结在桥墩1顶部；箱梁芯梁3放置于支座2顶部，与其简支、铰支或固支，可以采用合适千斤顶作为支座，以方便调整芯梁3的标高实现不同的风攻角，对于等截面箱梁，一般可选取等截面轻质高强防腐防锈金属型材；对于变截面箱梁，可以采用变高度钢板或铝板4焊接在等截面型材顶板或底板，其厚度、高度和数量根据刚度相似来设计；箱梁芯梁3，可多次重复利用，方便调整其尺寸，并可拼装成多种形式并调整其刚度以满足不同的试验需求。箱梁气动外衣5包裹在箱梁芯梁3(和4)上，箱梁气动外衣可以采用有机玻璃板、铝板、钢板、泡沫板等制作，箱梁气动外衣5与芯梁3需要横隔板或其他合适连接件固结在一起，箱梁气动外衣5也可以根据研究需要方便地调整气动外形；可根据需要添加栏杆6、中央分隔带7等附属设施，以便研究不同气动外形下的大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型的涡振现象。另外，可能还需要配重块8(放置于外衣内部，不影响气动外形)根据芯梁3(和4)、箱梁气动外衣5、附属设施6和7等已有构件质量模拟系统质量分布。大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型涡振信号采用加速度传感器9(一般在跨中和1/4断面)或高速摄像机10(需设在合适位置)采集，现场试验时风场参数(风速，风向等)可以通过三维风速仪11(一般与主梁高度相同)监测，供后续涡振研究提供输入参数。

大跨连续钢箱梁桥超大比例气弹模型自然风场涡振试验装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。