本發(fā)明屬于橋梁風(fēng)洞試驗(yàn)裝置，涉及一種模擬橋梁剛性模型非線性剛度的自由振動(dòng)試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

1、大跨橋梁結(jié)構(gòu)輕柔、阻尼低，易發(fā)生風(fēng)致大幅振動(dòng)，如顫振和馳振。在風(fēng)致大幅振動(dòng)過程中存在結(jié)構(gòu)剛度非線性與氣動(dòng)力非線性耦合的雙重非線性效應(yīng)。然而，現(xiàn)有的風(fēng)致大幅振動(dòng)研究和設(shè)防理念主要基于線性結(jié)構(gòu)假定，難以模擬結(jié)構(gòu)大振幅剛度非線性行為。橋梁主梁節(jié)段剛性模型自由振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)是研究大跨橋梁抗風(fēng)性能的重要手段。然而，現(xiàn)有橋梁主梁節(jié)段剛性模型的大振幅顫振風(fēng)洞試驗(yàn)研究均基于結(jié)構(gòu)剛度保持常量的假定。申請(qǐng)人已授權(quán)專利（一種橋梁豎向和扭轉(zhuǎn)耦合大振幅自由振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)裝置cn108414186b）利用等徑輪轂將剛性模型的扭轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)化成豎直彈簧的伸縮形變，可以在保持非常理想的恒定剛度條件下實(shí)現(xiàn)彎扭耦合大振幅自由振動(dòng)，研究非線性氣動(dòng)力效應(yīng)。但是，該裝置無法考慮豎向和扭轉(zhuǎn)均為非線性剛度的試驗(yàn)工況。另外，目前少有關(guān)于豎向大振幅馳振的非線性剛度試驗(yàn)裝置的研究報(bào)道。因此，亟需研發(fā)一種可實(shí)現(xiàn)豎向和扭轉(zhuǎn)均為非線性剛度和僅豎向非線性剛度的大振幅和穩(wěn)定低阻尼自由振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)中橋梁主梁等構(gòu)件節(jié)段剛性模型在非線性剛度下大振幅自由振動(dòng)的需要，對(duì)申請(qǐng)人已授權(quán)專利（一種橋梁豎向和扭轉(zhuǎn)耦合大振幅自由振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)裝置cn108414186b）進(jìn)一步改造，使其能夠模擬豎向和扭轉(zhuǎn)均為非線性剛度和僅豎向?yàn)榉蔷€性剛度而扭轉(zhuǎn)剛度保持恒定，同時(shí)能夠在不同振幅情況下始終保持彈簧豎直，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定低阻尼。該裝置包括剛性模型、剛性桿、剛性弧形吊臂、軸承定滑輪、線性拉伸彈簧和輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種模擬橋梁剛性模型非線性剛度的自由振動(dòng)試驗(yàn)裝置，包括剛性模型1、剛性桿2、剛性弧形吊臂3、第一軸承定滑輪4、第一線性拉伸彈簧5、第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6、第二軸承定滑輪7、第二線性拉伸彈簧8和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9；剛性模型1兩端固結(jié)剛性桿2，且保證剛性模型1扭轉(zhuǎn)中心線與剛性桿2軸線共線，剛性桿2的自由端垂直穿過剛性弧形吊臂3的中心并與其固定；剛性弧形吊臂3為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其主要由一直桿兩端連接的弧形桿組成，弧形桿的外壁面開有凹槽；剛性模型1一側(cè)的第一軸承定滑輪4、第一線性拉伸彈簧5和第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6均為兩個(gè)，呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置，保證第一軸承定滑輪4在第一線性拉伸彈簧5的正下方；第一線性拉伸彈簧5上端固定，其下端與第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6的上端相連；第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6豎直向下通過第一軸承定滑輪4，傾斜或豎直的第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6與剛性弧形吊臂3的外壁面相切并纏繞在其凹槽內(nèi)，第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6的下端與剛性弧形吊臂3底部固定；剛性模型1一側(cè)的第二軸承定滑輪7、第二線性拉伸彈簧8和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9均為兩個(gè)，呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，保證第二軸承定滑輪7在第二線性拉伸彈簧8的正上方；第二線性拉伸彈簧8下端固定，其上端與第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9的下端相連，第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9豎直向上通過第二軸承定滑輪7，傾斜或豎直的第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9與剛性弧形吊臂3的外壁面相切并纏繞在其凹槽內(nèi)，第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9的上端與剛性弧形吊臂3頂部固定；以此保證剛性模型1和剛性弧形吊臂3在豎向和扭轉(zhuǎn)耦合自由振動(dòng)過程中，第一軸承定滑輪4以上的第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二軸承定滑輪7以下的第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9保持豎直狀態(tài)，使第一線性拉伸彈簧5和第二線性拉伸彈簧8僅發(fā)生豎向伸縮變形；利用第一軸承定滑輪4以下的第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和/或第二軸承定滑輪7以上的第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9的傾斜角隨剛性模型1的豎向位移非線性變化，使第一線性拉伸彈簧5和第二線性拉伸彈簧8的形變隨剛性模型1的豎向位移呈非線性關(guān)系。

4、所述的剛性弧形吊臂3的外形為變徑弧形時(shí)，利用第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9與變徑的剛性弧形吊臂3的切線距隨剛性模型1的扭轉(zhuǎn)位移非線性變化，使第一線性拉伸彈簧5和第二線性拉伸彈簧8的形變隨剛性模型1的扭轉(zhuǎn)位移呈非線性關(guān)系；豎向位移和扭轉(zhuǎn)位移均能改變傾斜角度和切線距，從而實(shí)現(xiàn)豎向和扭轉(zhuǎn)耦合非線性剛度；當(dāng)剛性弧形吊臂3的外形為等徑圓弧時(shí)，第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9與等徑的剛性弧形吊臂3的切線距始終為常數(shù)，第一線性拉伸彈簧5和第二線性拉伸彈簧8的形變隨剛性模型1的扭轉(zhuǎn)位移始終呈線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)僅豎向?yàn)榉蔷€性剛度而扭轉(zhuǎn)剛度保持恒定。

5、所述的自由振動(dòng)試驗(yàn)裝置的非線性剛度與以下參數(shù)相關(guān)：剛性模型1的豎向位移和扭轉(zhuǎn)位移，第一線性拉伸彈簧5和第二線性拉伸彈簧8的原長、初應(yīng)變和剛度系數(shù)，剛性弧形吊臂3的形狀和尺寸，兩個(gè)第一軸承定滑輪4的空間位置，兩個(gè)第二軸承定滑輪7的空間位置；剛性弧形吊臂3的形狀、尺寸和第一軸承定滑輪4的空間位置決定第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6的初始傾斜角及其與剛性弧形吊臂3的初始切線距；剛性弧形吊臂3的形狀、尺寸和第二軸承定滑輪7的空間位置決定第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9的初始傾斜角及其與剛性弧形吊臂3的初始切線距；通過增大第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9的初始傾斜角、增強(qiáng)剛性弧形吊臂3內(nèi)徑的變化程度、降低第一線性拉伸彈簧5和第二線性拉伸彈簧8的初應(yīng)變，提高剛度非線性程度。

6、所述的剛性弧形吊臂3的形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)自由振動(dòng)試驗(yàn)裝置的目標(biāo)非線性剛度、剛性模型1的豎向振幅、扭轉(zhuǎn)振幅、質(zhì)量、質(zhì)量慣性矩、扭轉(zhuǎn)頻率與豎向頻率的比值等參數(shù)確定；當(dāng)剛性弧形吊臂3的外形為變徑弧形時(shí)，剛性弧形吊臂3關(guān)于中心垂直線左右對(duì)稱、關(guān)于中心水平線上下對(duì)稱或關(guān)于中心水平線上下不對(duì)稱；對(duì)于扭轉(zhuǎn)剛度隨扭轉(zhuǎn)位移絕對(duì)值的增大而減小的工況，使第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9的初始切線距盡可能地接近于剛性弧形吊臂3的長軸，從而當(dāng)剛性模型1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移時(shí)，切線距遠(yuǎn)離長軸并減小，使扭轉(zhuǎn)剛度減?。粚?duì)于扭轉(zhuǎn)剛度隨扭轉(zhuǎn)位移絕對(duì)值的增大而增大的工況，使第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9的初始切線距盡可能地接近于剛性弧形吊臂3的短軸，從而當(dāng)剛性模型1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移時(shí)，切線距遠(yuǎn)離短軸并增大，使扭轉(zhuǎn)剛度增大；當(dāng)剛性弧形吊臂3的外形為等徑圓弧時(shí)，在保持豎向非線性剛度不變情況下，盡量增大圓弧半徑，從而提高扭轉(zhuǎn)豎向頻率比，避免不同工況下可能出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)豎向振動(dòng)的干擾，保證大振幅豎向馳振試驗(yàn)的精度。

7、所述的第一軸承定滑輪4和第二軸承定滑輪7，布設(shè)在風(fēng)洞外部用于懸掛剛性模型1的剛架上，根據(jù)目標(biāo)非線性剛度調(diào)節(jié)空間位置，同時(shí)要保證在設(shè)計(jì)振幅內(nèi)不與剛性弧形吊臂3發(fā)生碰撞；對(duì)于豎向剛度隨豎直向下位移的增大而增大、隨豎直向上位移的增大而減小的工況，調(diào)節(jié)兩個(gè)第一軸承定滑輪4的空間位置，使第一軸承定滑輪4下部的第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6產(chǎn)生適當(dāng)?shù)某跏純A斜角，且調(diào)節(jié)兩個(gè)第二軸承定滑輪7的間距，使第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9全部處于豎直狀態(tài)；對(duì)于豎向剛度隨豎直向下位移的增大而減小、隨豎直向上位移的增大而增大的工況，調(diào)節(jié)兩個(gè)第一軸承定滑輪4的間距，使第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6全部處于豎直狀態(tài)，且調(diào)節(jié)兩個(gè)第二軸承定滑輪7的空間位置，使第二軸承定滑輪7上部的第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9產(chǎn)生適當(dāng)?shù)某跏純A斜角；對(duì)于豎向剛度隨豎向位移絕對(duì)值的增大而增大、或隨豎向位移絕對(duì)值的增大而減小的工況，分別調(diào)節(jié)兩個(gè)第一軸承定滑輪4和兩個(gè)第二軸承定滑輪7的空間位置，使第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9均產(chǎn)生適當(dāng)?shù)某跏純A斜角。根據(jù)實(shí)際情況使第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9向模型內(nèi)側(cè)或外側(cè)傾斜。

8、所述的第一軸承定滑輪4和第二軸承定滑輪7輕質(zhì)高強(qiáng)，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù)盡量小。在系統(tǒng)振動(dòng)過程中，第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9會(huì)分別壓緊第一軸承定滑輪4和第二軸承定滑輪7，并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。采用小直徑軸承、大直徑滑輪方案可以在第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和/或第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9發(fā)生相同位移條件下，減小軸承轉(zhuǎn)動(dòng)距離，減小系統(tǒng)耗能，降低振動(dòng)系統(tǒng)阻尼。

9、所述的第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高彈模、無抗彎抗扭等特性，材料不限。第一輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩6和第二輕質(zhì)高強(qiáng)細(xì)繩9應(yīng)具有足夠的長度，以保證在設(shè)計(jì)振幅內(nèi)第一線性拉伸彈簧5與第一軸承定滑輪4不發(fā)生碰撞、第二線性拉伸彈簧8與第二軸承定滑輪7不發(fā)生碰撞。

10、本發(fā)明的有益效果：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)豎向和扭轉(zhuǎn)耦合非線性剛度與僅豎向?yàn)榉蔷€性剛度而扭轉(zhuǎn)剛度保持恒定，以便開展橋梁結(jié)構(gòu)非線性剛度下的大振幅豎向扭轉(zhuǎn)耦合顫振和大振幅豎向馳振測(cè)振試驗(yàn)；（2）通過靈活設(shè)計(jì)剛性弧形吊臂的形狀尺寸、軸承定滑輪空間位置和彈簧初應(yīng)變等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種復(fù)雜非線性剛度隨位移變化模式；（3）在模型大振幅振動(dòng)過程中，彈簧能夠始終保持豎直狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生側(cè)向振動(dòng)，保證了試驗(yàn)裝置具有穩(wěn)定的低阻尼，穩(wěn)定的質(zhì)量和剛度特性；（4）裝置成本低、易加工、高效可行。