测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验装置技术领域
本发明涉及一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验装置，属于悬
索管道桥在紊流风场中的气动力特性研究领域。
背景技术
悬索管道桥相比于公路悬索桥其主梁截面较窄，对风荷载的作用非常敏感。目前
在悬索管道桥的抗风特性研究中，关于其静力特性的研究较多，而对于其动力特性的研究
相对较少。悬索管道桥在风荷载作用下的动力作用主要有颤振、驰振、抖振和涡激振动等。
其中，抖振主要由风速中的脉动成分引起。当前国内外的研究中多以均匀流作用下桥梁的
受力特性为主，而实际在自然界中，桥梁所受到的风均是含有脉动成分的紊流风。因此，对
悬索管道桥在紊流风作用下进行受力分析很有必要。
通常进行桥梁气动力试验研究时，需要设置一个刚度非常大的固定支架用来固定
模型和测力天平。固定支架多架设在模型下方，由于要保证固定支架的刚度，通常固定支架
的尺寸都设计的较大，这样会严重影响到模型下部的气流状态，从而导致试验结果不能反
应真实情况。
发明内容
为了解决这一问题，本发明的目的在于提供一种测定悬索管道桥在紊流风场中气
动力相关性的试验装置。本发明根据悬索管道桥的结构特点，其主梁断面中，管道占据了相
当大的比重，管道内部中空，可以利用这部分空间来设置固定支架使得支架包裹在管道内
部而不会改变管道桥在风场中的绕流特性。从而使得试验结果更加符合管道桥在紊流风场
中的真实受力情况。本发明适用于悬索管道桥在风洞中的气动力相关性试验，为悬索管道
桥的抗风设计提供有力的试验技术支撑。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验装置，所述试验装置设于
风洞中，风洞中设置紊流风场，在紊流风场中设置有两个可调间距的风速仪，所述试验装置
包括：
若干个沿横向依次连接的管道桥节段模型，所述管道桥节段模型包括管道部分和
桥部分，沿每个管道桥节段模型管道部分的中轴线，所述管道桥节段模型分为模型上部分
和模型下部分；
固定支架，其包括一个横梁和位于横梁两端的立柱，所述立柱的顶端连接所述横
梁，所述立柱的底端固定在地面上；
其中，所述横梁穿过若干个依次连接的管道桥节段模型管道部分内部，所述横梁
与其中两个模型下部分管道壁之间从上到下依次分别设有测力天平和找平垫块，所述横梁
与其余模型下部分管道壁之间从上到下依次分别设有固定垫块、找平垫块。
进一步的，所述模型上部分和模型下部分之间为可开合的。
进一步的，所述固定支架的横梁两端分别设有两个立柱，所述立柱的底端分别设
有底板，所述底板设于地面上，用于固定所述固定支架；所述横梁和立柱之间由螺丝固定，
以调节角度改变风攻角。
进一步的，所述找平垫块由塑料粉末经打印而成，且粘合在所述模型下部分管道
壁内的中心位置，粘合后所述找平垫块保持水平。
进一步的，所述固定垫块包括上垫片A、下垫片A和上垫片A与下垫片A之间的连接
块，所述下垫片A与找平垫块连接，所述下垫片A与固定支架的横梁连接，所述连接块与所述
测力天平的高度一致。
进一步的，所述测力天平的上下分别设有上垫片B和下垫片B，所述上垫片B和下垫
片B分别与所述上垫片A和下垫片A的大小一致，且所述下垫片B与找平垫块连接，所述下垫
片B与固定支架的横梁连接。
进一步的，所述横梁上设有若干个螺纹孔，每四个螺纹孔为一组，呈四角布置；相
邻两组螺纹孔的间距固定，且间距等于或略大于一个管道桥节段模型的长度。
进一步的，所述找平垫块、上垫片A、下垫片A、上垫片B和下垫片B的横截面为正方
形或矩形，且其四角分别设有螺纹孔；所述上垫片A或上垫片B的螺纹孔与所述横梁的每一
组螺纹孔均相对应，所述下垫片A或下垫片B的螺纹孔与所述找平垫块的螺纹孔相对应；另
外，所述上垫片B和下垫片B的中心处分别设有三个螺纹孔，用于固定所述测力天平。
进一步的，安装有测力天平的两个管道桥节段模型与其余安装有固定垫块的管道
桥节段模型的位置关系依据试验工况布置。
进一步的，所述上垫片A、下垫片A、上垫片B、下垫片B和连接块均由钢材加工而成，
且所述上垫片A、下垫片A和连接块通过焊接固定在一起。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验装置。将固
定支架上的横梁设置在悬索管道桥节段模型的管道之内，避免了固定支架对悬索管道桥绕
流特性的影响，使得悬索管道桥在风场中气动力相关性的模拟精度得到了极大的提高，是
悬索管道桥风洞试验技术的一次提升。本发明通过设置固定垫块、连接垫片和找平垫块等
将固定支架的横梁固定在悬索管道桥节段模型的管道之内，使得试验得出的悬索管道桥的
气动力相关性更加符合真实的情况，为悬索管道桥的工程设计提供有力的支撑。另外，本发
明中各垫块和垫片的设置以及连接比较简单，便于试验操作，能够取得较好的效果。
附图说明
图1为实施例中所述测定单层悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验装置
结构示意图；
图2为本发明所述固定支架的结构示意图；
图3为本发明所述固定支架的横梁的横截面局部结构示意图；
图4实施例中单层悬索管道桥节段模型的模型下部分内安装有找平垫块的结构示
意图；
图5A为所述上垫片A或下垫片A的横截面结构示意图；
图5B为所述上垫片B或下垫片B的横截面结构示意图；
图5C为所述固定垫块的纵截面结构示意图；
图5D为所述安装有上垫片B和下垫片B的测力天平纵截面结构示意图；
图6为所述测试紊流风场特性的风速仪的结构示意图；
图7A为实施例试验得出的紊流风场的相关系数；
图7B为实施例试验得出的紊流风场的相干函数；
图8A为实施例试验得出的悬索管道桥气动力相关系数；
图8B为实施例试验得出的悬索管道桥气动力相干函数；
图9为实施例中单层悬索管道桥的断面结构示意图；
其中，1-横梁，2-立柱，3-底板，4-模型上部分，5-模型下部分，6-找平垫块，7-风速
仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。
一种测定悬索管道桥在紊流风场中气动力相关性的试验装置，所述试验装置设于
风洞中，风洞中设置紊流风场，如图7所示，在紊流风场中设置有两个可调间距的风速仪7，
所述试验装置包括：
12个沿横向依次连接的单层悬索管道桥节段模型，其缩尺比为1:15，如图所示，所
述单层悬索管道桥节段模型包括桥部分和管道部分，每个管道桥节段模型的跨向长度为
167mm，顺风向长度为240mm，高97.1mm。如图4所示，沿每个管道桥节段模型管道部分的中轴
线，所述单层悬索管道桥节段模型分为模型上部分4和模型下部分5，其中，所述模型上部分
4和模型下部分5之间为可开合的。
固定支架，如图2所示，其包括一个横梁1和位于横梁1两端的立柱2，所述立柱2的
顶端连接所述横梁1，所述立柱2的底端固定在地面上。优选的，如图1所示，所述固定支架的
横梁1两端分别设有两个立柱2，所述立柱2的底端分别设有底板3，所述底板3设于地面上，
用于固定所述固定支架。所述横梁1和立柱2之间由螺丝固定，以调节角度改变风攻角。如图
3所示，所述横梁1上设有若干个螺纹孔，每四个螺纹孔为一组，呈四角布置；相邻两组螺纹
孔的间距为170mm或等于所述管道桥节段模型的跨向长度。
其中，所述横梁1穿过若干个依次连接的管道桥节段模型管道部分内部，所述横梁
1与其中两个模型下部分5管道壁之间从上到下依次分别设有测力天平和找平垫块6，所述
横梁1与其余10个模型下部分5管道壁之间从上到下依次分别设有固定垫块、找平垫块6。所
述找平垫块6由塑料粉末经3D打印而成，且粘合在所述模型下部分管道壁内的中心位置，粘
合后所述找平垫块保持水平。
如图5C所示，所述固定垫块包括上垫片A、下垫片A和上垫片A与下垫片A之间的连
接块，所述下垫片A与找平垫块6连接，所述下垫片A与固定支架的横梁1连接，所述连接块与
所述测力天平的高度一致。
如图5D所示，所述测力天平的上下分别设有上垫片B和下垫片B，所述上垫片B和下
垫片B分别与所述上垫片A和下垫片A的大小一致，且所述下垫片B与找平垫块6连接，所述下
垫片B与固定支架的横梁1连接。
如图5A、5B所示，所述找平垫块6、上垫片A、下垫片A、上垫片B和下垫片B的横截面
为正方形或矩形，且其四角分别设有螺纹孔；所述上垫片A或上垫片B的螺纹孔与所述横梁1
的每一组螺纹孔均相对应，所述下垫片A或下垫片B的螺纹孔与所述找平垫块6的螺纹孔相
对应；另外，所述上垫片B和下垫片B的中心处分别设有三个螺纹孔，用于固定所述测力天
平。
所述上垫片A、下垫片A、上垫片B、下垫片B和连接块均由钢材加工而成，且所述上
垫片A、下垫片A和连接块通过焊接固定在一起。
安装有测力天平的两个管道桥节段模型与其余安装有固定垫块的管道桥节段模
型的位置关系依据试验工况布置。
在风洞中设置紊流风场，在紊流风场中设置两个风速仪，以不同间距分别测定紊
流风场的特性。两个风速仪的间距分为100mm、200mm、300mm、500mm、800mm、1000mm、1200mm、
1500mm8个工况。将固定在固定支架上的管道桥模型固定在风洞中，将模型上部分与模型下
部分粘合。根据试验工况变换测力天平所在管道桥节段模型的位置，分别测定管道桥模型
的气动力。测力天平所在的两个管道桥节段模型之间的间距分别为167mm、334mm、501mm、
668mm以及835mm5种工况。根据试验结果分析得出紊流风场以及气动力的相关性。最后得出
紊流风场的相关系数和相干函数如图7A、7B所示，得出悬索管道桥气动力的相关系数和相
干函数如图8A、8B所示。
图7A中，横坐标Δy为试验中两个风速仪之间的跨向间距；图7B中，横坐标为无量
纲化处理之后的频率；图8A中，横坐标r为试验中，两个测力天平之间的间距；图8B中，横坐
标为无量纲化处理之后的频率。
图7A给出了风速的相关系数随跨向间距的变化曲线，从图中可以看出，本实例所
建立的紊流风场的脉动风速相关性随着间距的增大而减小，且横向脉动分量的相关性较
大，而纵向脉动分量的相关性较小。图7B给出了风速的相干函数随频率的变化曲线，从图中
可以看出，在低频段，风速的相关性较大，而高频段风速的相关性较小。从图中同样可以看
出横向脉动分量的相关性要大于纵向和竖向的脉动分量。图8A给出了气动力的相关系数随
测力天平间距的变化规律，从图中可以看出随着间距的增大，气动力的相关性逐渐减小。阻
力的相关性最大而力矩的相关性最小。图8B给出了气动力的相干函数随频率的变化曲线，
同样可以看出随着间距的增大，气动力的相关性减小。
本发明通过设置固定垫块、连接垫片和找平垫块等将固定支架的横梁固定在悬索
管道桥节段模型的管道之内，使得试验得出的悬索管道桥的气动力相关性更加符合真实的
情况，为悬索管道桥的工程设计提供有力的支撑。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。