专利名称：一种钢桁架拱桥风洞试验模型的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钢桁架拱桥风洞试验模型，尤其是一种钢桁架拱桥风洞试验模型的制备方法。
背景技术：
风洞试验，是指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。大跨钢桁架拱桥是风敏感型结构体系，风荷载是此类型拱桥设计的控制荷载之一。故在该桥梁设计过程中，设计模型进行桥梁风洞试验，研究和试验其抗风性能显得很有必要。目前在国内外开展钢桁架拱桥风洞全桥气弹模型风洞试验甚少。因为风洞试验时，不可能采用原桥大小的桥梁模型，只能采用体积比例缩小后的桥梁模型，这种桥梁模型要能够测试出实际桥梁的抗风能力，就必须在设计桥梁模型时，使其刚度、质量系统和几何外形能够满足相似比原则。实际设计时，要满足上面所述的相似比原则，难度极大。钢桁架拱结构被缩尺后，无法采用单独等效的每根桁架杆件来满足气弹试验要求。故现有的桥梁模型会导致试验结果精确度低，难以用于实际桥梁抗风性能的评估。

发明内容
针对上述问题和不足，本发明所要解决的技术问题是怎样提供一种制造方便，成本低廉，利于实施且能够提高风洞试验准确度的桥梁风洞试验模型的制备方法。为了解决上述问题，本发明采用了以下的技术方案。一种钢桁架拱桥风洞试验模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，a、先根据做试验的风洞大小及实桥尺寸，确定实体模型外形缩小尺寸比例数值和缩小后的外形数值，该数值需确保制得的桥梁模型能够用于该风洞进行试验山、再根据风洞试验相似原理，计算确定实体模型(即试验模型)的刚度和质量的缩小比例数值和实际缩小后的刚度数值和质量数值；C、采用集中刚度法设计并制作钢骨架作为实体模型核心件，该钢骨架的刚度数值与计算得到的试验模型刚度数值一致，钢骨架的外形数值在长度方向上与计算得到的试验模型长度方向外形数值一致，在宽度方向上小于计算得到的试验模型宽度方向外形数值，钢骨架质量及质量惯性矩数值小于计算得到的试验模型数值，钢骨架上沿长度方向间隔设置有若干向周向延伸出的支撑杆；d、增加配重块到钢骨架上，使其质量及质量惯性矩数值与计算得到的试验模型数值一致(其中质量惯性矩数值应尽量保持一致)；e、再采用轻质板材拼接成若干套筒式结构的外衣，外衣分段套接在钢骨架外并固定在支撑杆上并形成试验模型的外形，其外形与计算得到实体模型的外形数值一致，为避免外衣提供刚度特采取每相邻两段外衣之间留有间隙等措施。
本方法中，采用单独加工一个钢骨架作为核心件，使其单独满足模型刚度系统的 要求，然后采用增加配重块的方式满足模型质量系统的要求，最后单独设置轻质的板材作 为外衣，使其满足外形系统的要求，由于板材为塑料板或木板等制成的轻质板材，基本不会 对质量系统产生影响，相邻两段外衣之间留有间隙，故外衣也基本不会对刚度系统产生影 响。这样即解决了以往的桥梁模型在刚度、质量系统和几何外形三方面难以匹配的问题；即 可同时满足桥梁模型在刚度、质量系统和几何外形三方面的相似比，使制得模型的阻尼系 数能够最大程度地接近原桥阻尼系数，提高了风洞试验准确度。
综上所述，本方法制得的桥梁风洞试验模型能够很好地满足桥梁模型在刚度、质 量系统和几何外形三方面的相似比，能够更好地符合风洞试验要求，提高了风洞试验准确 度。同时，本方法还具有制造方便，成本低廉，利于实施等优点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式
对本发明做进一步说明。
具体实施时，一种钢桁架拱桥风洞试验模型的制备方法，包括以下步骤，a、先根 据做试验的风洞大小及实桥尺寸，确定实体模型外形缩小尺寸比例数值和缩小后的外形数 值，该数值需确保制得的桥梁模型能够用于该风洞进行试验山、再根据风洞试验相似原理， 计算确定实体模型的刚度和质量的缩小比例数值和实际缩小后的刚度数值和质量数值；C、 采用集中刚度法设计并制作钢骨架作为实体模型核心件，钢骨架为拱圈等变截面的钢骨 架，使得该钢骨架的刚度数值与计算得到的试验模型刚度数值一致，钢骨架的外形数值在 长度方向上与计算得到的试验模型长度方向外形数值一致，在宽度方向上小于计算得到的 试验模型宽度方向外形数值，钢骨架质量及质量惯性矩数值小于计算得到的试验模型数 值，钢骨架上沿长度方向间隔设置有若干向周向延伸出的支撑杆；d、增加配重块到钢骨架 上，使其质量及质量惯性矩数值与计算得到的试验模型数值一致(其中质量惯性矩数值应 尽量保持一致，具体实施时，使其相差不超过5%) ;e、再采用轻质板材拼接成若干套筒式结 构的外衣，外衣分段套接在钢骨架外并固定在支撑杆上并形成试验模型的外形，其外形与 计算得到的外形数值一致，为避免外衣提供刚度特采取每相邻两段外衣之间留有间隙等措 施。
具体实施时，b步骤中，所谓风洞试验相似原理，是指用于风洞试验的模型和原型 相比，外形等比例缩小的基础上，其它参数比例调整应该使得模型的阻尼比和实际原型阻 尼比相同，这样才能确保风洞试验模拟的情况能够反应出实际情况。此原理和具体计算过 程属于现有技术(如果不是，请补充介绍具体计算过程)。C步骤中，采用集中刚度法设计和 制造钢骨架，即指模型的刚度完全由钢骨架提供。此钢骨架可以是通过有限元软件(如 ANSYS)建模分析设计的，它不但能满足弯曲刚度、轴向刚度和扭转刚度的相似比要求，而且 由其构成的模型动力特性与实桥动力特性也同样满足相似准则。其具体设计方式为现有技 术，可以通过编写C语言程序不断试算，再通过有限元软件(如ANSYS)建模反复验证分析 设计的，不在此详述。其制作方式可以在车间加工，采用模具浇筑成型的方式得到钢骨架。 采用钢骨架作为核心件，可以确保刚度系统满足模型要求的同时，其重量和外形方面尚未 超出模型要求，以利于设计配重块和外衣使其重量和外形两方面满足风洞试验相似要求。D步骤中，根据质量以及质量惯性矩相似比，将计算好的零散铅块用AB胶分散贴于模型的计算指定上以补全其质量及质量惯性矩。E步骤中，所述轻质板材制得的外衣可以是采用塑料板或木板等较轻的材料制得，可以尽量降低对质量系统的影响，外衣与支撑杆之间采用嵌入固结使其连接牢靠，每一节支撑杆上固定一段外衣，每相邻两段外衣之间留有间隙，间隙优选为1mm，使其断开，以尽量降低对刚度系统的影响。本方法能够较准确的模拟桥梁结构气动外形、质量系统和刚度系统，从而使得桥梁气弹模型设计切实可行。其具体实施时，可以适用于整桥模型、或半桥模型或仅仅桥梁部分模型的风洞试验。制得的实体模型经振动测试，其振动频率和根据相似比原理计算出的振动频率能够相差不超过5%，故用于桥梁风洞试验能够很好地模拟反应桥梁实际情况，为桥梁的设计和建设提供可靠的试验参数。
权利要求
1.一种钢桁架拱桥风洞试验模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，a、先根据做试验的风洞大小及实桥尺寸，确定实体模型外形缩小尺寸比例数值和缩小后的外形数值，该数值需确保制得的桥梁模型能够用于该风洞进行试验；b、再根据风洞试验相似原理， 计算确定实体模型的刚度和质量的缩小比例数值和实际缩小后的刚度数值和质量数值；C、 采用集中刚度法设计并制作钢骨架作为实体模型核心件，该钢骨架的刚度数值与计算得到的试验模型刚度数值一致，钢骨架的外形数值在长度方向上与计算得到的试验模型长度方向外形数值一致，在宽度方向上小于计算得到的试验模型宽度方向外形数值，钢骨架质量及质量惯性矩数值小于计算得到的试验模型数值，钢骨架上沿长度方向间隔设置有若干向周向延伸出的支撑杆；d、增加配重块到钢骨架上，使其质量及质量惯性矩数值与计算得到的试验模型数值一致；e、再采用轻质板材拼接成若干套筒式结构的外衣，外衣分段套接在钢骨架外并固定在支撑杆上并形成试验模型的外形，其外形与计算得到实体模型的外形数值一致，每相邻两段外衣之间留有间隙。
全文摘要
本发明公开了一种钢桁架拱桥风洞试验模型的制备方法，其采用集中刚度法设计并制作拱圈等变截面钢骨架作为实体模型核心件，使其满足刚度系统数值，然后采用增加配置块使其满足质量系统数值，最后设置分段式外衣使其满足外形数值，这样就能够很好地满足桥梁模型在刚度、质量系统和几何外形三方面的相似比，能够更好地符合风洞试验要求，提高了风洞试验准确度。同时，本方法还具有制造方便，成本低廉，利于实施等优点。
文档编号G01M9/08GK103063401SQ20121058791
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者王承启 申请人:重庆交通大学