以风洞为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统

摘要

本发明公开了一种以风洞为基础的风‑结构‑地基耦合同步试验系统，包括结构、模拟地基、加速度传感器、摄像机、激光位移传感器、测力装置以及动态信号分析仪等测试设备，结构包括上部结构和基础结构；该试验系统与大气边界层风洞相结合；上部结构与基础结构固定连接后埋设在模拟地基里；加速度传感器、测力装置、激光位移传感器等设备根据测量需求进行相应布设；动态信号分析仪作为数据采集和分析中心，各测量通道分别与相应测试装置、仪器等连接。本发明提供的耦合同步试验系统，能够同时考虑风荷载、基础结构及模拟地基对结构的影响，而且可以模拟出结构在风荷载作用下的结构动力特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构在风荷载作用下的结构动力特性测试系统，尤其涉及一种以风洞为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统。

背景技术

建立在地面上的高层建筑、高耸结构(如，风力发电机、输电塔、无线通信信号转播塔等)及大跨结构(如，斜拉桥、会展中心、体育馆)等建筑物都属于风敏感结构(简称结构，下同)。在风荷载的作用下，结构会产生振动，由于流固耦合作用以及结构与基础之间的耦合作用，结构动力特性较为复杂，而且可能发生改变，进而影响结构的结构响应以及安全性。故此，正确把握结构的结构动力特性，对保证结构的结构安全性来说十分重要。

多数学者在研究结构的结构动力特性时，并未考虑结构-地基的耦合作用，仅单纯研究了结构与风载之间的相互作用，这种研究未准确模拟结构的实际结构特征、工作环境。

发明内容

基于上述问题，本发明所要解决的问题在于提供一种以风洞为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统，该系统通过大气边界层风洞、缩尺结构模型、模拟地基来模拟结构-地基耦合作用下结构的结构动力特性。

本发明的技术方案如下：

一种以风洞为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统，包括结构、模拟地基、加速度传感器、摄像机、激光位移传感器、测力装置以及动态信号分析仪，所述结构包括上部结构和基础结构；该试验系统与大气边界层风洞相结合；其中：

所述模拟地基位于大气边界层风洞地面的下沉洞体中；

所述基础结构的下端埋设在模拟地基里，所述基础结构的上端外露在模拟地基外并与所述上部结构的下端沿竖直方向固定连接；

所述测力装置设置在所述结构上，用于测量所述结构在模拟大气边界风荷载作用下各部位产生的应力及弯矩；

所述摄像机设置在所述模拟地基表面，且所述摄像机的镜头对准所述基础结构与模拟地基表面的交界处，用于拍摄所述基础结构在模拟大气边界风荷载作用下产生的侧向位移和/或竖向位移以及模拟地基表面的变形；

所述激光位移传感器的数量两个以上，分别设置在上部结构顶端附近以及模拟地基表面，用于测量上部结构和基础结构在风洞模拟的大气边界风荷载的作用下所产生的顺风向、横风向位移；

所述加速度传感器数量为两个以上，沿竖直方向间隔设置在所述上部结构上，用于测量风荷载作用下上部结构的加速度时程；

所述动态信号分析仪分别与所述激光位移传感器、摄像机、测力装置及加速度传感器连接，用于采集相关数据并进行分析，进而研究结构的结构动力特性。

所述耦合同步试验系统，其中，所述模拟地基装填在一个土桶里，在所述土桶的底部设有排水管道，该土桶置于所述下沉洞体中。

所述耦合同步试验系统，其中，在所述基础结构的表面沿垂直方向设有刻度值，以毫米为最小刻度单位。

所述耦合同步试验系统，其中，所述测力装置为测力天平、测力单元或应变片。

所述耦合同步试验系统，其中，所述激光位移传感器分为上部结构激光位移传感器和基础结构激光位移传感器。

所述耦合同步试验系统，其中，所述上部结构激光位移传感器为两个，设置于大气边界层风洞地面以上，其中一个沿顺风向设置且位于上部结构的后方，另一个沿横风向设置且位于上部结构的侧面。

所述耦合同步试验系统，其中，所述基础结构激光位移传感器为三个，设置于模拟地基表面以上、风洞地面以下，其中一个沿横风向设置，另两个沿垂直方向上下排布并沿顺风向设置在基础结构的后方。

所述耦合同步试验系统，其中，还包括一个用于适配封盖所述下沉洞体的盖板，该盖板的上表面与风洞的地面平齐。

所述耦合同步试验系统，其中，所述盖板设有中心通孔和穿线孔，所述上部结构与基础结构固定连接后穿过所述中心通孔；所述动态信号分析仪利用数据线穿过所述穿线孔分别与所述激光位移传感器、摄像机、测力装置及加速度传感器连接。

所述耦合同步试验系统，其中，所述盖板沿直径方向对称分割成两块。

本发明提供的以风洞为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统，能够同时考虑风荷载、基础结构及模拟地基对结构整体的动力特性的影响，实现对桥塔、输电线塔、风力发电机等结构的复杂结构特性及荷载特性的模拟并获得相关的结构动力特性试验数据。试验中的缩尺结构、基础结构及模拟地基等根据相似准则由实体结构所受到的风荷载、结构形式及地基参数等进行设计、确定；该耦合同步试验系统提高了试验的模拟仿真度以及试验结果的全面性和准确性；该耦合同步试验系统以简单、方便的耦合同步试验，模拟出结构在风荷载作用下的结构动力特性，以便于实体结构的研究、设计。

附图说明

图1为本发明的风洞吹出的均匀流大气边界风为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统结构示意图；

图2为本发明的风洞吹出的风切变大气边界风为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统结构示意图；

图3为图1中B部分局部放大图；

图4为本发明的风-结构-地基耦合同步试验系统结构示意图；

图5为风洞的横截面；

图6A、6B、6C为基础结构埋深模拟地基段的结构示意图；

图7为盖板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。

本发明中的结构一般指建立在地面上的高层建筑(如，摩天大楼)、高耸结构(如，风力发电机、高压电线塔、无线通信信号塔等)及大跨结构(如，斜拉桥、会展中心、体育馆)等。

本实施例中，则以风力发电机(包括上部结构、基础结构、风机装置)为结构，对以风洞为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统进行详细说明。本发明中所采用的风洞为大气边界层风洞。

如图1、2和4所示，一种以风洞为基础的风-结构-地基耦合同步试验系统，包括风机装置24、结构、模拟地基15、加速度传感器203、摄像机151、激光位移传感器、测力装置12以及动态信号分析仪16；其中，结构包括上部结构23和基础结构14。

该试验系统位于风洞21里，如图5所示，大气边界层风洞21位于一个具有双层密封空间的封闭管道，且内层2111和外层2112之间设有间隙，为风气流循环通道211。即风气流循环通道211中设有大型风机(图中未示出)，风机在风气流循环通道211中的转动，将风气流循环通道211中的空气吹动形成强气流，即强风，强风则经风气流循环通道211进入大气边界层风洞21中，给上部结构23提供一个模拟的风荷载。

在大气边界层风洞21试验段中央位置的地面下挖一个下沉洞体110，模拟地基15设置于下沉洞体110中。下沉洞体110的外形构造可以是圆形、方形或者规则的多面形。该下沉洞体110的直径为0.5～2m、深度为0.4～1.5米。本实施例中优选下沉洞体110的外形构造为圆形且直径为1m、深度为0.62米。对于下沉洞体110的直径和深度，可以根据不同结构的实际需要，进行适应性调整设置。

模拟地基15为根据实际地面环境，为采用沙粒和/或泥土模拟填埋设置得到的土体。对于模拟地基15的土体基本参数，需要根据不同结构的实际地基土体参数进行适应调整。

为方便模拟地基15的移除以及砂石和/或泥土添加等，本实施例中，模拟地基15装填在一个土桶13里。然后将土桶13置于模拟地面11的下沉洞体110中，也就是说土桶13固定于大气边界层风洞试验段地面的下方。土桶13的桶口直径为下沉洞体110外径的0.6～0.8倍，土桶13的高度约为下沉洞体110深度的0.7～0.95倍。优选土桶13的直径为0.6m；土桶13的高度为0.6m。土桶13侧壁与下沉洞体110的内壁之间预留一定空间，即0.2m，这个预留空间则可以作为方便人员安装相应设备、仪器等的通道，同时也方便土桶15的吊装移除；土桶13的高度略低于下沉洞体110的深度，可以为下沉洞体110的坑口封盖预留空间。

进一步地，如图4所示，为增加土桶13的刚度加强对土体的约束效果，在土桶13外壁沿垂直方向或高度方向设置多道钢质的加劲肋133，用于对土桶13起到加固作用。

模拟地基15在制作过程中，需要对沙粒和/或泥土进行预制备，以提供不同密实度、不同含水率、不同土体类别的模拟地基15。土桶13底部的排水管131上的排水阀门1311用于模拟地基15的土体制备过程中的排水。

又进一步地，如图1和2所示，为了增加土桶13在风荷载的作用下的稳定性，减小风洞运行震动对土体的扰动，在土桶13的底部垫设有一层硬质橡胶垫132，减小土体扰动对试验测试的影响。

该耦合同步试验系统中，基础结构14可以为一根柱状结构的固定桩，也称为单桩，其横截面可以是圆形、方形、椭圆形、其他规则多边形或者其他非规则多边形。本实施例中，优选横截面为圆形的单桩，因为圆形柱状结构简单，加工制作方便，且应用广泛；基础结构14的材质可以锻铸钢、无锈钢、铝合金或木质等，优选质量轻、硬度高的铝合金等，易于根据相似准则对其刚度进行设计。基础结构14可以是实心柱体，也可以是中空柱体，本实施例中优选空心柱体。

在其他实施例中，如图6A所示，基础结构14可以是底面为平面型的普通基础结构；如图6B和6C所示，基础结构14也可能是由多个的外形构造相同的桩柱体141构成，如，两个桩柱体，或三个桩柱体等，此时的基础结构14则可以称为多桩基础结构；如图1和2所示，基础结构14也可能是由一个桩柱体141构成，此时称为单桩基础结构。

上述基础结构14的下端垂直固定埋设在模拟地基15里的深度需要根据原型结构确定，一般而言，基础结构14在模拟地基15的深埋深度与基础结构14的直径比为5～7:1，且与原型结构相似。鉴于原型基础结构下端的直径一般为6m，且实际埋入土体的深度约为40m；本实施例的同步耦合试验系统中，基础结构14的长度为0.5m，直径为0.06m，深入模拟地基15的深度为0.4m。在其他实施例中，针对不同的防敏感结构，其基础结构14在模拟地基15的深埋深度与基础结构14的直径比也许大于5～7:1，或者小于5～7:1。

基础结构14的上端(即位于模拟地基15的表面以上的结构部分，也即露在模拟地基15外的结构部分)端面与大气边界层风洞21地面11平齐，且该基础结构14的上端与上部结构23的下端沿竖直方向固定连接。本实施例中，基础结构14的上端端部与上部结构23的下端端部分别设有法兰盘22，基础结构14与上部结构23的法兰盘22之间采用螺栓固定连接，方便拆卸安装。在其他实施例中，基础结构14与上部结构23也可以采用焊接，或者铆钉铆接等。

本实施例中，上部结构23的外形结构为中空等直径圆管，其下端端面与基础结构14的上端端面相适配，便于通过法兰盘22固定连接。上部结构23的原型结构是下端直径为6m、上端直径为3.87m的锥塔结构。本实施例中，上部结构23经过等效计算以及理论缩尺之后，取用直径为0.04m的等径圆管。上部结构23的高度，实际上是以风机装置24的风轮中心处高度进行控制的，在其他实施例中，上部结构23的原型也可能是其他结构形式，如高压输电线塔、无线通讯信号转播塔、冷却塔等，设计制作模型时应满足对应缩尺理论。

风机装置24沿水平方向固定安装在上部结构23的上端端部，且风机装置23的正前面迎风正对大气边界层风洞21的洞口；如图1和2所示，该大气边界层风洞21可以模拟A1所示的均匀风场，或者是模拟A2所示的大气边界风场。大气边界层风洞21根据大气边界风的变化，如，风速流、风向、湍流强度等变化，模拟出对应地貌类型的风场作用下结构在风荷载作用下的结构动力响应及结构动力变化。

上述风机装置24包括伺服电机204和风轮205，风轮205叶片参考NREL 5MW风机设计制作并沿垂直方向固定在伺服电机204的转轴上，然后将风机装置24其固定在上部结构23的上端端部。

优选，在上部结构23的部外表面可增设用于调整上部结构23质量的配重(图中未示出)。

为方便实施，先设置一个模拟地面平台11，在模拟地面平台11的中间位置设置一个下沉洞体110，下沉洞体110的深度为0.62m，下沉洞体110的宽度或直径约为1m。基础结构14本身与土桶13体边界距离不小于3倍的基础结构14桩径，这样可以忽略边界效应的影响。本实施例中，基础结构14与土桶13体边界距离为0.27m。其他实施例中在设计试验时应根据特定的实际情况对模型基础、地基进行相应设计。上述模拟地基15则装填在下沉洞体110中。

上述测力装置12固定设置在上部结构23上，用于测量上部结构23在模拟大气边界风荷载作用下产生的弯矩、扭矩、剪力等。上部结构23上的风机装置24在大气边界层风洞21施加的风荷载作用下，将会产生扭矩，并在顺风向和横风向将产生弯矩，尤其是在上部结构23与基础结构14之间的法兰盘22连接处(即上部结构底端、基础结构顶端)弯矩最大，弯矩、扭矩的大小可以通过测力装置12测量出来。

上述测力装置12可以是为测力天平、测力单元或应变片；本实施例中，采用应变片(也可以是应变花)作为测力装置12；应变片12则固定设置在上部结构23的表面，并通过数据线与动态信号分析仪16连接；应变片12根据测量需求选取对应桥路，并设置多个应变片或应变花。应变片12可以根据需要，设置在上部结构23的表面的任何位置，但是在实际应用中，一般都会设置在上部结构23与基础结构14连接处的位置，这样便于测量用于测量上部结构23在风荷载作用下产生的应力、弯矩等。

如果上述测力装置12为测力天平或测力单元，则根据其外形构造，可以设置在上部结构23与基础结构14的连接处，方便测量上部结构23与基础结构14在法兰盘22连接处形成的弯矩。

上述测力装置12是采用测力天平、测力单元或应变片，可以根据研究内容、试验需求进行相应选择。

该耦合同步试验系统中，摄像机151固定设置在模拟地基15表面，且摄像机151的镜头对准基础结构14与模拟地基15表面的交界处；该摄像机151用于拍摄基础结构14在模拟大气边界风荷载作用下产生的侧向位移和/或竖向位移以及模拟地基土体表面变形。当上部结构23上的风机装置24在风荷载作用下，上部结构23连同基础结构14一起将会呈现侧向位移，一般来说是沿顺风向一侧产生位移；同时，上部结构23、基础结构14等在风荷载作用下将会产生竖向位移。摄像机151则可以记录这种侧向位移和/或竖向位移。

实际试验时，则需要记录结构的侧向位移和/或竖向位移；为此，在基础结构14的上端和下端的表面、沿垂直方向均匀的设置有精度为毫米级的刻度值104，如图3所示。另外，基础结构14表面的刻度104，还可以计算出试验过程中基础结构14在模拟地基15中的下沉量。

上述激光位移传感器的数量为两个以上，分别设置在大气边界层风洞地面上且位于上部结构顶端附近以及模拟地基表面，用于分别测量上部结构和基础结构在大气边界层风洞的风荷载的作用下所产生的顺风向和/或横风向位移(即转角)。激光位移传感器分为上部结构激光位移传感器和基础结构激光位移传感器；这些激光位移传感器分别通过数据线10与动态信号分析仪16连接。

上部结构激光位移传感器固定设置在大气边界层风洞21地面11以上；基础结构激光位移传感器固定设置模拟地基15表面以上风洞地面11以下；这些激光位移传感器主要是用于测量上部结构23和基础结构14在大气边界层风洞21施加的风荷载作用下所产生的位移。

本实施例中，激光位移传感器的数量为五个，上部结构激光位移传感器为两个，基础结构激光位移传感器为三个。

如图4所示，两个上部结构激光位移传感器中，其中一个上部结构激光位移传感器18沿顺风向设置且位于上部结构23的后方，另一个沿横风向设置，位于上部结构23的侧面。

为方便安装上部结构激光位移传感器(18，181)，还设置两个传感器支架，包括竖杆17以及横向设置在竖杆17上的横杆107，而每一个地面激光位移传感器(18，181)分别设置在一个传感器支架的横杆107上。

在不同的结构试验中，对传感器支架数量不做限定，可以根据实际状态增设或移除，只要存在类似传感器支架的固定物体用以固定相应的上部结构激光位移传感器即可。

如图1、2和4所示，三个基础结构激光位移传感器，其中一个基础结构激光位移传感器19横风向固定设置且位于基础结构14后方的模拟地基15表面或土桶12边缘上；另外两个基础结构激光位移传感器191通过固定杆109沿垂直方向上下排列设置并沿顺风向设置于模拟地基15表面或土桶12边缘上，且位于基础结构14的后方。

多个激光位移传感器的这种安装设置，其一可以用来测量风机装置24在风荷载作用下上部结构23所产生的位移；其二，可以多角度、多方位对上部结构23和/或基础结构14进行位移数据测量或记录。另外，激光位移传感器的数量并非越多越好，应考虑试验成本、测量需要，调整激光位移传感器数量、安装位置、角度等。

上述加速度传感器203数量为两个以上，可以沿垂直方向且间隔设置在上部结构23上，用于测量风荷载下上部结构23的加速度时程；其中，时程表示采集的所有数据都是信号时程，位移、应力也是时程，纵坐标是对应信号的单位，横坐标是时间。加速度传感器203数量也可以为两个、三个、四个、五个等。应考虑试验成本、缩尺质量要求，根据需要选择相应数量。本实施例中，加速度传感器203数量为六个，其中三个沿顺风向垂直且等间隔设置在上部结构23上，另三个沿横风向垂直且等间隔设置在上部结构23上，用于测量风荷载作用下上部结构的加速度时程。

该耦合同步试验系统中，动态信号分析仪109分别通过数据线10与激光位移传感器、摄像机151、应变片12及加速度传感器203进行电连接，用于采集相关数据并进行综合分析，进而研究结构的动力特性。

本实施例中，安装基础结构14、上部结构23、风机装置24时，过程如下：

先在土桶13桶口外沿的同一水平面上径向对称设置两个外部支撑，也可能是三个以上的外部支撑；

然后将风机装置24安装在上部结构23的上端部；为有效固定上部结构23，本实施例中，在上部结构23的顶端设有“L″型角钢材质的固定支架231(如图4所示)，可以通过绳索将固定支架231与外部支撑1011连接，使得风机装置24整体在竖直方向上保持平衡和稳定；

接着，将基础结构14的上端与上部结构23的下端各自的法兰盘22采用螺栓固定连接起来；

再接着，将基础结构14的下端至于土桶13的中，并不断调整各支架的连接长度，确保基础结构14的下端位于土桶13的中心位置；

最后，再往土桶13中缓缓倾倒沙土和/或泥土直至达到预定的深埋位置0.4m，并撤去外部支撑。

更进一步地，上述耦合同步试验系统中，基础结构14的竖直轴线位于土桶13的中心，也即是，基础结构14的下端位于土桶13内装填模拟地基15的中心处；这样可以使基础结构14静态时在模拟地基15中各方向所受的内应力相同。

如图4和7所示，再进一步，上述耦合同步试验系统中，还包括盖板20，其外形构造与下沉洞体110的开口相一致，用于盖合下沉洞体110。该盖板20与设置在下沉洞体110洞口边上的阶梯槽口101相适配盖合。该盖板20设有中心通孔201，上部结构23，或上部结构23与基础结构14的固定连接后套设穿过中心通孔201。

此时，摄像机151、基础结构激光位移传感器(19，191)则固定安装于盖板20的下表面，该盖板20起到防止模拟地基15受风荷载作用的影响。盖板20中心通孔201孔径为法兰盘22直径的1.2～1.5倍。这样，试验过程中上部结构处于风场环境，盖板20以下部分几乎不受风荷载直接作用，而且盖板与结构没有接触，对结构无约束作用。

盖板20上表面与风洞地面11处于同一水平面上；之后，开启风洞模拟大气边界层下考虑结构-地基耦合作用的风力结构动力特性试验。由于本发明充分考虑了真实土壤环境对地桩基础的影响，所得测试结果更接近实际风机装置受风荷载作用下结构与地基效应的情况。

上述盖板20为透明板，如、有机玻璃板、聚碳酸酯板等、也可以是钢化玻璃板，优选有机玻璃板。透明盖板20，方便观察设置在模拟地基15表面的相应装置、测试设备等。

为方便模拟地基15上的设备、仪器、电缆的安装，盖板20沿直径方向或者中心孔201径向对称分割成两块，使用时通过拼装组合。

如图7所示，为了方便众多数据线10的安装，在盖板20上设有若干个用于穿设数据线10的穿线孔202。数据线10则通过穿线孔202分别将激光位移传感器、摄像机15、应变片12以及加速度传感器203等采集设备与动态信号分析仪109连接起来。这样，可以确保试验装配线路整洁、有利于试验。

应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。