CN105115697A - 一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，包括：风浪流耦合场模拟***，用于通过模拟-反馈-控制的机制生成目标风浪流耦合场；桥梁全桥弹性模型，设置于风浪流耦合场模拟***中，用于模拟桥梁施工及成桥状态全桥的弹性结构外形、刚度、质量及阻尼特性；试验测试分析***，用于采集和分析风浪流耦合场参数以及桥梁全桥弹性模型在该风浪流耦合场作用下的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力等动态响应。本发明能够实现空间相关、时间连续及同步的风浪流耦合场模拟、桥梁施工和成桥状态全桥弹性模型模拟、风浪流耦合场参数和桥梁全桥弹性模型动态响应的实时测试与分析，且实施方便，精度高，可靠性强。

Description

一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***。

背景技术

随着桥梁建设从内陆走向外海，桥梁建设面临着深水、强风、急流、巨浪等恶劣海洋环境的严峻挑战。

对于跨海桥梁而言，作用在结构上的风、波浪、海流之间具有强烈的耦合性。海洋里的波浪主要是风浪和涌浪，其中风浪是在风力的直接作用下形成的波浪；当风停止，或当波浪离开风区时，这时的波浪便称为涌浪。由于波浪的运动导致海面上下起伏并随时间变化，从而改变了气液界面的粗糙度，因此波浪运动反过来将影响风运动。此外，浪和流之间也具有耦合性，当波浪和海流相遇时，它们间的相互作用将影响各自的传播特性，即波浪要素将发生变形，其传播将发生折射，同时水流的流速分布也将发生变化。可见，风、浪、流之间的相互作用和风、浪、流与结构之间的相互作用同时发生，并交织在一起，这给跨海桥梁设计环境参数及荷载作用合理确定带来了新的困难。

跨海大桥的刚度低、阻尼小，在风的作用下，桥梁结构可能会发生涡激振动、抖振、驰振，甚至可能发生气动失稳；在波浪和水流作用下，特别是在波浪卓越周期与桥梁振动周期接近的情况下，将会引起桥梁结构发生大幅共振。因此，在风浪流耦合场中，桥梁结构可能会发生大幅振动，甚至可能发生毁灭性破坏。

桥梁的风浪流耦合作用问题是复杂的气-固耦合和液-固耦合问题：一方面，桥梁结构及其运动将改变风浪流场；另一方面，风浪流场的变化将导致其对桥梁结构的作用效应发生改变。因此，传统采用分别计算风、浪、流单因素作用然后进行叠加的方法不能够准确反映桥梁在风浪流耦合作用下的受力性能。为准确评估跨海桥梁在风、浪和流环境下的动态响应特征，需要考虑风、浪、流和桥梁结构之间的耦合效应。传统的刚性模型试验方法和测试装置无法获得桥梁在波浪作用下的动力响应，不能反映波浪对桥梁的动力作用。因此，对大跨桥梁在波浪作用下的受力性能应该采用弹性模型更为合理。弹性模型试验对于细长、柔性的动力敏感结构尤其重要，此类结构容易发生气弹/水弹效应。气弹/水弹效应是结构本身的运动会增加或改变流体作用力，或者结构的振动模态具有强烈的三维效应且弹性模态力难以估计。为了能够准确地再现原型结构的风浪流作用响应，气弹/水弹模型必须模拟自然风-浪-流特性、结构外形的关键流体动力信息以及结构***的刚度、质量和阻尼特性。在实验室中同时对风、浪和流进行模拟并测试在耦合场中的桥梁结构响应，将能更逼真地模拟结构受力状态。

在台风过程中，风浪占据了主导地位，风向和波向存在较高的相关性，但是由于风场和波浪场的生成存在时滞效应，且地形地貌对风和波浪的传播方向存在巨大的干扰效应，从而导致特定位置的风向与波浪方向之间往往存在不一致性。海流流向一般受潮汐和洋流影响较大，台风一般仅对海洋表面会产生较大的风海流，因此整体海流流速和流向一般与风向和波向存在较弱的相关关系。此外，桥位处地形地貌和基础局部冲刷也会极大地改变波浪场和水流场的水质点运动速度和方向，对波流场的分布产生巨大的影响。因此，在风浪流耦合场试验模拟中，需要考虑风向、波向、流向的不一致性模拟。目前，在风浪流耦合作用试验模拟研究方面，实验室对于风、浪、流单因素的模拟技术比较成熟，对浪-流耦合作用的研究也具有一定的研究基础。但是，对于风向、波向、流向空间相关的风浪流耦合场模拟和考虑桥位处地形、基础局部冲刷影响流场分布模拟技术研究处于空白。

在风场中，桥梁结构通常采用弹性模型或刚性模型进行模拟和试验测试；在浪-流场中，桥梁结构通常采用刚性模型进行模拟和试验测试，对结构弹性响应研究少。在国际上，考虑桥梁施工过程和成桥状态的全桥弹性模型风浪流耦合作用试验技术和全桥风浪流耦合作用弹性响应特性研究仍处于空白。

在试验测试技术方面，以往主要关注风、浪、流单因素环境参数的测试，风场中弹性模型的结构振动位移和加速度测试，波流场中刚性模型水平力、竖向力测量和刚性模型表面压力分布测量。为研究风浪流耦合场的耦合效应及其与桥梁弹性响应之间的耦合效应，如何实现对风浪流耦合场多种环境参数、全桥弹性模型的位移和加速度动态响应、水下基础表面动水压力分布、基底六分力等多变量、多通道的时间连续及同步测量与分析是面临的关键问题，目前仍处于空白状态。

因此，迫切需要研发桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，为桥梁全桥风浪流耦合作用研究提供必要的风浪流耦合场模拟技术、全桥弹性模型实现技术和风浪流耦合效应试验测试技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是针对桥梁施工和成桥状态风浪流耦合作用模型试验中不能准确模拟考虑时间同步、空间相关和地形影响的风浪流耦合场、桥梁全桥弹性模型及其测试动态响应等问题，提供一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，该***包括：风浪流耦合场模拟***1，用于通过模拟-反馈-控制的机制生成目标风浪流耦合场；桥梁全桥弹性模型2，设置于该风浪流耦合场模拟***1中，用于模拟桥梁施工及成桥状态全桥的弹性结构外形、刚度、质量及阻尼特性；以及试验测试分析***3，用于采集和分析风浪流耦合场参数以及桥梁全桥弹性模型2在该风浪流耦合场作用下的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应。

上述方案中，所述风浪流耦合场模拟***1包括L形排列移动式风机阵列4、紊流发生装置5、风场模拟装置平台6、三维风速仪7、水池8、L形排列吸收式造波机9、L形排列消波器10、海底地形模拟装置11、波高仪12、造流泵13、导流管14、整流器16和流速仪17，其中：水池8由四个相邻的侧壁和底面构成，其水平投影为长方形，长边尺寸为50～150m，短边尺寸为40～120m，侧壁高度为0.5～3m；风场模拟装置平台6包括两段，呈L形平行布置在水池8的相邻两侧壁内侧，风场模拟装置平台6和相邻的水池8侧壁之间的水平投影净间距为0.2～2m，风场模拟装置平台6下部固定在水池8的底面上，风场模拟装置平台6顶面与水池8静水面距离为0.2～1m；L形排列移动式风机阵列4和其前方的紊流发生装置5均安装在风场模拟装置平台6顶面上；L形排列吸收式造波机9固定在风场模拟装置平台6前方的水池底面上，其对面的水池8侧壁前设有L形排列消波器10，L形排列消波器10与相邻的水池8侧壁之间的水平净距离为0.2～2m；整流器16和造流泵13均为I字形排列，二者平行布置，二者之间布置桥梁全桥弹性模型2；整流器16安装在L形排列吸收式造波机9长边前方2～5m的水池8底面下部，且其顶面与水池8底面平齐；风速仪7的个数为N个，布置在全桥弹性模型2的迎风方向前方，风速仪7距离静水面的垂直高度为桥塔高度的65％或与主梁高度一致，其中N为大于或等于3的自然数；波高仪12的个数为M个，布置在桥梁全桥弹性模型2基础侧边2～5倍基础宽度处和桥梁全桥弹性模型2的迎浪方向前方1～4倍波长范围内，其中M为大于或等于3的自然数；流速仪17的个数为K个，布置安装在桥梁全桥弹性模型2基础侧边2～5倍基础宽度处和桥梁全桥弹性模型2的迎流方向前方1～4倍波长范围内，其中K为大于或等于3的自然数；造流泵13安装在L形排列消波器10长边前方2～5m的水池8底面下部，且其顶面与水池8底面平齐；导流管14安装在水池8底面下部，其两端分别与造流泵13和整流器16连接；海底地形模拟装置11安装在造流泵13和整流器16之间的水池8底面上，海底地形模拟装置11内部布置模型基座35，模型基座35与水池8底面固结，模型基座35上部安装桥梁全桥弹性模型2。

上述方案中，所述风浪流耦合场模拟***1通过模拟-反馈-控制的机制生成目标风浪流耦合场，具体包括：首先，由造流泵13、导流管14和整流器16生成流场，并达到稳定的目标流速；接着，由L形排列移动式风机阵列4、紊流发生装置5、风场模拟装置平台6生成风向在0°～90°范围任意可调的风场，并达到稳定的风速和风剖面；然后，由L形排列吸收式造波机9生成波向在0°～90°范围任意可调的入射波波浪场，并经过海底地形模拟装置11改变其水质点运动形态，传播到桥梁全桥弹性模型2位置处达到稳定的目标波高和波周期，从而获得空间相关、时间同步和连续的目标风-浪-流耦合场，能够考虑桥位处地形、基础局部冲刷对风浪流耦合场的影响。

上述方案中，在该风浪流耦合场模拟***1中，风速、风剖面和风向利用L形排列移动式风机阵列4、紊流发生装置5和风场模拟装置平台6进行模拟，利用三维风速仪7对风速、风剖面和风向进行实时测试，并通过试验测试分析***3与L形排列移动式风机阵列4、风场紊流发生装置5、风场模拟装置平台6共同形成“模拟-反馈-控制”来调试获得目标风场。

上述方案中，在该风浪流耦合场模拟***1中，波浪波高、波周期和波向利用L形排列吸收式造波机9、L形排列消波器10和海底地形模拟装置11在水池8中进行模拟，能够生成稳定的规则波浪系列和满足目标波浪谱的随机波浪系列；波高仪12对波高时程进行实时测试，并通过试验测试分析***3与L形排列吸收式造波机9、L形排列消波器10形成“模拟-反馈-控制”而获得目标波浪场。

上述方案中，在该风浪流耦合场模拟***1中，水流流速和流向利用造流泵13、导流管14、整流器16构成的闭环造流***进行模拟；通过控制造流泵13驱动水流沿导流管14至整流器16均匀喷射出来，形成流场；通过调节造流泵13的驱动方向，形成顺流向和逆流向的流场；利用流速仪17对水流流速进行实时测试，并通过试验测试分析***3与造流泵13、导流管14、整流器16形成“模拟-反馈-控制”而获得目标流场。

上述方案中，该风浪流耦合场模拟***1的海底地形模拟装置11模拟桥梁基础局部冲刷和桥位区域的海底地形，局部冲刷坑形状及其大小通过基础局部冲刷模型试验获得或根据桥梁基础局部冲刷经验模型计算确定；海底地形模拟装置11采用沙石、砖和水泥预制而成，桥梁全桥弹性模型2下部区域的海底地形模拟装置11设置在活动式转盘上，平面投影形状为圆形，能够根据风场、波浪场和流场的方向进行水平转动；在风浪流耦合场模拟中，海底地形模拟装置11将改变流场和波浪场的水质点运动速度及其方向，从而准确模拟桥位处的波-流场流态分布。

上述方案中，所述桥梁全桥弹性模型2包括缆索31、阻尼模拟装置33、模型底座34、基础36、桥塔37、主梁38和桥墩39，其中：基础36通过模型底座34安装在防水六分量测力天平18上，防水六分量测力天平18安装在模型基座35上；桥塔37和桥墩39固接在基础36上，主梁38通过缆索31与桥塔37连接，并支撑在桥墩39上；基础36、桥塔37、桥墩39和主梁38由节段外衣27、弹性骨架28、质量配件29装配而成，相邻节段外衣27之间留有1～5mm的间隙，外衣密封带30用于密封相邻节段外衣27之间的间隙，质量配件29分布式安装在节段外衣27内侧或弹性骨架28上，阻尼模拟装置33设置在桥塔37和桥墩39的弹性骨架28上或节段外衣27内侧；缆索31由包裹外衣的铜丝15与弹簧32串联模拟。

上述方案中，所述试验测试分析***3包括防水六分量测力天平18、位移传感器19、加速度传感器20、动水压力传感器21、传输导线22、信号控制集成单元23和动态响应采集单元24，其中：防水六分量测力天平18、位移传感器19、加速度传感器20和动水压力传感器21通过传输导线22或无线与信号控制集成单元23进行实时通讯和交互，试验测试分析***3对信号控制集成单元23采集的风浪流耦合场环境参数和桥梁全桥弹性模型2的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应参数，并实现上述参数的空间相关、时间连续及同步的测量和分析。

上述方案中，所述动水压力传感器21的探头25按环形均匀安装在桥梁全桥弹性模型2水下基础表面测压孔26内，测压孔与探头间的空隙采用树脂胶密封处理，测压孔26在静水面上1～2倍波高至海底范围内按间距0.5～2cm布置，随入水深度增加布置点逐渐变疏；动水压力传感器21的传输导线22通过模型底座34密封孔导出，采样频率为10Hz～100Hz。

上述方案中，所述防水六分量测力天平18用于测量桥梁全桥弹性模型2在风浪流耦合作用下的水平力、竖向力和弯矩动态响应；J个防水六分量测力天平18安装在模型底座34下面，其中J为大于或等于1的自然数；防水六分量测力天平18的卓越频率高于桥梁全桥弹性模型2的卓越频率，采样频率设定范围为10Hz～100Hz。

上述方案中，所述位移传感器19和加速度传感器20成对布置，数量均为P个，其中P为大于或等于4的自然数；位移传感器19和加速度传感器20布置安装在桥塔顶端截面和桥塔中部截面的横桥向和顺桥向上，以及主梁跨中截面、主梁1/4跨截面、主梁3/4跨截面的横桥向、竖向上，用于测量桥梁全桥弹性模型2的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应信息。

上述方案中，所述信号控制集成单元23和所述动态响应采集单元24能够集成风浪流耦合场参数和桥梁全桥弹性模型2位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应参数，实现多变量、多通道的时间连续同步采集、存储和分析；信号控制集成单元23与L形排列移动式风机阵列4、L形排列吸收式造波机9、造流泵13、三维风速仪7、波高仪12、流速仪17、位移传感器19、加速度传感器20、动水压力传感器21及防水六分量测力天平18之间通过有线或无线传输进行实时通讯和交互，各变量通道数据采样频率在1～100Hz之间根据模型***频率和环境要素频率来确定选用采样频率；动态响应采集单元24自动生成采集数据文件，具有实时数据统计与处理功能，并能够同局域网内的其他计算机上的采集、数据处理***进行通讯和协调工作。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，能够生成空间相关、时间连续及同步的风浪流耦合场，能够考虑桥位处地形、基础局部冲刷对风浪流耦合场的影响，实现模拟的风浪流耦合场与自然环境下的风浪流耦合场具有良好的相似性。

2、本发明提供的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，能够模拟桥梁施工及成桥状态全桥在风浪流耦合场中的弹性结构外形、刚度、质量、阻尼等相似特性，能够真实模拟桥梁全桥弹性模型在风浪流耦合作用下的气弹/水弹效应。

3、本发明提供的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，能够对风浪流耦合场的特征参数、桥梁全桥弹性模型的气弹/水弹效应、水下基础表面动水压力分布和基底六分力进行实时同步测试，能够获得桥梁全桥结构在风浪流耦合场中的时间同步动态响应测试结果。

4、本发明提供的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，能够为跨海桥梁全桥结构在风浪流耦合作用下动态响应研究提供技术支撑，而且本***实施方便、精度高、可靠性强。

附图说明

图1为依照本发明实施例的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***的全局布置示意图；

图2a至图2c为依照本发明实施例的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***的顺桥向剖面示意图，其中：图2a为桥塔自立状态，图2b为主梁最大悬臂状态，图2c为成桥状态；

图3为依照本发明实施例的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***的横桥向剖面示意图；

图4为依照本发明实施例的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***的大样1示意图；

图5为依照本发明实施例的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***的大样2示意图。

附图中标记如下：

风浪流耦合场模拟***1；桥梁全桥弹性模型2；试验测试分析***3；L形排列移动式风机阵列4；紊流发生装置5；风场模拟装置平台6；三维风速仪7；水池8；L形排列吸收式造波机9；L形排列消波器10；海底地形模拟装置11；波高仪12；造流泵13；导流管14；铜丝15；整流器16；流速仪17；防水六分量测力天平18；位移传感器19；加速度传感器20；动水压力传感器21；传输导线22；信号控制集成单元23；动态响应采集单元24；探头25；测压孔26；节段外衣27；弹性骨架28；质量配件29；外衣密封带30；缆索31；弹簧32；阻尼模拟装置33；模型底座34；模型基座35；基础36；桥塔37；主梁38；桥墩39。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1至图3所示，本发明提供的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，包括用于生成风浪流耦合场的风浪流耦合场模拟***1、设置于风浪流耦合场模拟***1生成的风浪流耦合场中进行测试的桥梁全桥弹性模型2，以及对测试数据进行分析处理的试验测试分析***3，其中，风浪流耦合场模拟***1，用于通过模拟-反馈-控制的机制生成目标风浪流耦合场；桥梁全桥弹性模型2，设置于该风浪流耦合场模拟***1中，用于模拟桥梁施工及成桥状态全桥的弹性结构外形、刚度、质量及阻尼特性；试验测试分析***3，用于采集和分析风浪流耦合场参数以及桥梁全桥弹性模型2在该风浪流耦合场作用下的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力等的动态响应。

请参照图1，风浪流耦合场模拟***1包括L形排列移动式风机阵列4、紊流发生装置5、风场模拟装置平台6、三维风速仪7、水池8、L形排列吸收式造波机9、L形排列消波器10、海底地形模拟装置11、波高仪12、造流泵13、导流管14、整流器16和流速仪17。其中，水池8由四个相邻的侧壁和底面组成，其水平投影为长方形，长边尺寸为50～150m，短边尺寸为40～120m，侧壁高度为0.5～3m；风场模拟装置平台6包括两段，呈L形平行布置在水池8的相邻两侧壁内侧，风场模拟装置平台6和相邻的水池8侧壁之间的水平投影净间距为0.2～2m，风场模拟装置平台6下部固定在水池8的底面上，风场模拟装置平台6顶面与水池8静水面距离为0.2～1m；L形排列移动式风机阵列4和它前方的紊流发生装置5均安装在风场模拟装置平台6顶面上；L形排列吸收式造波机9固定在风场模拟装置平台6前方的水池底面上，其对面的水池8侧壁前设有L形排列消波器10，L形排列消波器10与相邻的水池8侧壁之间的水平净距离为0.2～2m；整流器16和造流泵13均为I字形排列，二者平行布置，二者之间布置桥梁全桥弹性模型2；整流器16安装在L形排列吸收式造波机9长边前方2～5m的水池8底面下部，且其顶面与水池8底面平齐；风速仪7的个数为N个，布置在全桥弹性模型2的迎风方向前方，风速仪7距离静水面的垂直高度为桥塔高度的65％或与主梁高度一致，其中N为大于或等于3的自然数；波高仪12的个数为M个，布置在桥梁全桥弹性模型2基础侧边2～5倍基础宽度处和桥梁全桥弹性模型2的迎浪方向前方1～4倍波长范围内，其中M为大于或等于3的自然数；流速仪17的个数为K个，布置安装在桥梁全桥弹性模型2基础侧边2～5倍基础宽度处和桥梁全桥弹性模型2的迎流方向前方1～4倍波长范围内，其中K为大于或等于3的自然数；造流泵13安装在L形排列消波器10长边前方2～5m的水池8底面下部，且其顶面与水池8底面平齐；导流管14安装在水池8底面下部，其两端分别与造流泵13和整流器16连接；海底地形模拟装置11安装在造流泵13和整流器16之间的水池8底面上，海底地形模拟装置11内部布置模型基座35，模型基座35与水池8底面固结，模型基座35上部安装桥梁全桥弹性模型2；

风浪流耦合场模拟***1通过“模拟-反馈-控制”生成风浪流耦合场，通过大量的试验研究得到了风浪流耦合场参数的实现流程如下：首先，由造流泵13、导流管14和整流器16生成流场，并达到稳定的目标流速；接着，由L形排列移动式风机阵列4、紊流发生装置5、风场模拟装置平台6生成风向在0°～90°范围任意可调的风场，并达到稳定的风速和风剖面；然后，由L形排列吸收式造波机9生成波向在0°～90°范围任意可调的入射波波浪场，并经过海底地形模拟装置11改变其水质点运动形态，传播到桥梁全桥弹性模型2位置处达到稳定的目标波高和波周期，从而获得空间相关、时间同步和连续的目标风-浪-流耦合场，能够考虑桥位处地形、基础局部冲刷对风浪流耦合场的影响。

风速、风剖面和风向利用L形排列移动式风机阵列4、紊流发生装置5和风场模拟装置平台6进行模拟，利用三维风速仪7对风速、风剖面和风向进行实时测试，并通过试验测试分析***3与L形排列移动式风机阵列4、风场紊流发生装置5、风场模拟装置平台6共同形成“模拟-反馈-控制”来调试获得目标风场。

波浪波高、波周期和波向利用L形排列吸收式造波机9、L形排列消波器10和海底地形模拟装置11在水池8中进行模拟，能够生成稳定的规则波浪系列和满足目标波浪谱的随机波浪系列；波高仪12对波高时程进行实时测试，并通过试验测试分析***3与L形排列吸收式造波机9、L形排列消波器10形成“模拟-反馈-控制”而获得目标波浪场。

如图1至图3所示，风浪流耦合场模拟***1利用造流泵13、导流管14、整流器16构成的闭环造流***进行水流流速和流向的模拟；通过控制造流泵13驱动水流沿导流管14至整流器16均匀喷射出来，形成流场；通过调节造流泵13的驱动方向，形成顺流向和逆流向的流场；利用流速仪17对水流流速进行实时测试，并通过试验测试分析***3与造流泵13、导流管14、整流器16形成“模拟-反馈-控制”而获得目标流场。

如图1至图3所示，海底地形模拟装置11模拟桥梁基础局部冲刷和桥位区域的海底地形，局部冲刷坑形状及其大小通过基础局部冲刷模型试验获得或根据桥梁基础局部冲刷经验模型计算确定；海底地形模拟装置11采用沙石、砖和水泥预制而成，桥梁全桥弹性模型2下部区域的海底地形模拟装置11设置在活动式转盘上，平面投影形状为圆形，能够根据风场、波浪场和流场的方向进行水平转动；在风浪流耦合场模拟中，海底地形模拟装置11将改变流场和波浪场的水质点运动速度及其方向，从而准确模拟桥位处的波-流场流态分布。

如图2a、图2b、图2c、图3和图4所示，桥梁全桥弹性模型2包括缆索31、阻尼模拟装置33、模型底座34、基础36、桥塔37、主梁38和桥墩39，用于模拟桥梁施工状态及成桥状态弹性结构外形、刚度、质量、阻尼等特性。其中，基础36通过模型底座34安装在防水六分量测力天平18上，防水六分量测力天平18安装在模型基座35上；桥塔37和桥墩39固接在基础36上，主梁38通过缆索31与桥塔37连接，并支撑在桥墩39上；基础36、桥塔37、桥墩39和主梁38由节段外衣27、弹性骨架28、质量配件29装配而成，相邻节段外衣27之间留有1～5mm的间隙，外衣密封带30用于密封相邻节段外衣27之间的间隙，质量配件29分布式安装在节段外衣27内侧或弹性骨架28上，阻尼模拟装置33设置在桥塔37和桥墩39的弹性骨架28上或节段外衣27内侧；缆索31由包裹外衣的铜丝15与弹簧32串联模拟。

如图1至图4所示，试验测试分析***3由防水六分量测力天平18、位移传感器19、加速度传感器20、动水压力传感器21、传输导线22、信号控制集成单元23和动态响应采集单元24组成；防水六分量测力天平18、位移传感器19、加速度传感器20和动水压力传感器21通过传输导线22或无线与信号控制集成单元23进行实时通讯和交互，试验测试分析***3对信号控制集成单元23采集的风浪流耦合场环境参数和桥梁全桥弹性模型2的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应参数，并实现上述参数的空间相关、时间连续及同步的测量和分析。其中：

如图5所示，动水压力传感器21的探头25按环形均匀安装在桥梁全桥弹性模型2水下基础表面测压孔26内，测压孔与探头间的空隙采用树脂胶密封处理，测压孔26在静水面上1～2倍波高至海底范围内按间距0.5～2cm布置，随入水深度增加布置点逐渐变疏；动水压力传感器21的传输导线22通过模型底座34密封孔导出，采样频率为10Hz～100Hz。

如图1至图4所示，防水六分量测力天平18用于测量桥梁全桥弹性模型2在风浪流耦合作用下的水平力、竖向力和弯矩动态响应。J个防水六分量测力天平18安装在模型底座34下面，其中J为大于或等于1的自然数；防水六分量测力天平18的卓越频率高于桥梁全桥弹性模型2的卓越频率，采样频率设定范围为10Hz～100Hz。

如图2a、图2b、图2c和图3所示，位移传感器19和加速度传感器20成对布置，数量均为P个，其中P为大于或等于4的自然数；位移传感器19和加速度传感器20布置安装在桥塔顶端截面和桥塔中部截面的横桥向和顺桥向上，以及主梁跨中截面、主梁1/4跨截面、主梁3/4跨截面的横桥向、竖向上，用于测量桥梁全桥弹性模型2的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应信息。

如图1至图5所示，信号控制集成单元23和动态响应采集单元24能够集成风浪流耦合场参数和桥梁全桥弹性模型2位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力等的动态响应参数，实现多变量、多通道的时间连续同步采集、存储和分析。信号控制集成单元23与L形排列移动式风机阵列4、L形排列吸收式造波机9、造流泵13、三维风速仪7、波高仪12、流速仪17、位移传感器19、加速度传感器20、动水压力传感器21、防水六分量测力天平18等测试传感器之间通过有线或无线传输进行实时通讯和交互，各变量通道数据采样频率在1～100Hz之间根据模型***频率和环境要素频率来确定选用采样频率。动态响应采集单元24自动生成采集数据文件，具有实时数据统计与处理功能，并能够同局域网内的其他计算机上的采集、数据处理***进行通讯和协调工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，该***包括：

风浪流耦合场模拟***(1)，用于通过模拟-反馈-控制的机制生成目标风浪流耦合场；

桥梁全桥弹性模型(2)，设置于该风浪流耦合场模拟***(1)中，用于模拟桥梁施工及成桥状态全桥的弹性结构外形、刚度、质量及阻尼特性；以及

试验测试分析***(3)，用于采集和分析风浪流耦合场参数以及桥梁全桥弹性模型(2)在该风浪流耦合场作用下的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应。

2.根据权利要求1所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，所述风浪流耦合场模拟***(1)包括L形排列移动式风机阵列(4)、紊流发生装置(5)、风场模拟装置平台(6)、三维风速仪(7)、水池(8)、L形排列吸收式造波机(9)、L形排列消波器(10)、海底地形模拟装置(11)、波高仪(12)、造流泵(13)、导流管(14)、整流器(16)和流速仪(17)，其中：

水池(8)由四个相邻的侧壁和底面构成，其水平投影为长方形，长边尺寸为50～150m，短边尺寸为40～120m，侧壁高度为0.5～3m；

风场模拟装置平台(6)包括两段，呈L形平行布置在水池(8)的相邻两侧壁内侧，风场模拟装置平台(6)和相邻的水池(8)侧壁之间的水平投影净间距为0.2～2m，风场模拟装置平台(6)下部固定在水池(8)的底面上，风场模拟装置平台(6)顶面与水池(8)静水面的垂直距离为0.2～1m；

L形排列移动式风机阵列(4)和其前方的紊流发生装置(5)均安装在风场模拟装置平台(6)顶面上；

L形排列吸收式造波机(9)固定在风场模拟装置平台(6)前方的水池底面上，其对面的水池(8)侧壁前设有L形排列消波器(10)，L形排列消波器(10)与相邻的水池(8)侧壁之间的水平净距离为0.2～2m；

整流器(16)和造流泵(13)均为I字形排列，二者平行布置，二者之间布置桥梁全桥弹性模型(2)；整流器(16)安装在L形排列吸收式造波机(9)长边前方2～5m的水池(8)底面下部，且其顶面与水池(8)底面平齐；

风速仪(7)的个数为N个，布置在全桥弹性模型(2)的迎风方向前方，风速仪(7)距离静水面的垂直高度为桥塔高度的65％或与主梁高度一致，其中N为大于或等于3的自然数；

波高仪(12)的个数为M个，布置在桥梁全桥弹性模型(2)基础侧边2～5倍基础宽度处和桥梁全桥弹性模型(2)的迎浪方向前方1～4倍波长范围内，其中M为大于或等于3的自然数；

流速仪(17)的个数为K个，布置安装在桥梁全桥弹性模型(2)基础侧边2～5倍基础宽度处和桥梁全桥弹性模型(2)的迎流方向前方1～4倍波长范围内，其中K为大于或等于3的自然数；

造流泵(13)安装在L形排列消波器(10)长边前方2～5m的水池(8)底面下部，且其顶面与水池(8)底面平齐；

导流管(14)安装在水池(8)底面下部，其两端分别与造流泵(13)和整流器(16)连接；

海底地形模拟装置(11)安装在造流泵(13)和整流器(16)之间的水池(8)底面上，海底地形模拟装置(11)内部布置模型基座(35)，模型基座(35)与水池(8)底面固结，模型基座(35)上部安装桥梁全桥弹性模型(2)。

3.根据权利要求2所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，所述风浪流耦合场模拟***(1)通过模拟-反馈-控制的机制生成目标风浪流耦合场，具体包括：

首先，由造流泵(13)、导流管(14)和整流器(16)生成流场，并达到稳定的目标流速；接着，由L形排列移动式风机阵列(4)、紊流发生装置(5)、风场模拟装置平台(6)生成风向在0°～90°范围任意可调的风场，并达到稳定的风速和风剖面；然后，由L形排列吸收式造波机(9)生成波向在0°～90°范围任意可调的入射波波浪场，并经过海底地形模拟装置(11)改变其水质点运动形态，传播到桥梁全桥弹性模型(2)位置处达到稳定的目标波高和波周期，从而获得空间相关、时间同步和连续的目标风-浪-流耦合场，能够考虑桥位处地形、基础局部冲刷对风浪流耦合场的影响。

4.根据权利要求2所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，在该风浪流耦合场模拟***(1)中，风速、风剖面和风向利用L形排列移动式风机阵列(4)、紊流发生装置(5)和风场模拟装置平台(6)进行模拟，利用三维风速仪(7)对风速、风剖面和风向进行实时测试，并通过试验测试分析***(3)与L形排列移动式风机阵列(4)、风场紊流发生装置(5)、风场模拟装置平台(6)共同形成“模拟-反馈-控制”来调试获得目标风场。

5.根据权利要求2所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，在该风浪流耦合场模拟***(1)中，波浪波高、波周期和波向利用L形排列吸收式造波机(9)、L形排列消波器(10)和海底地形模拟装置(11)在水池(8)中进行模拟，能够生成稳定的规则波浪系列和满足目标波浪谱的随机波浪系列；波高仪(12)对波高时程进行实时测试，并通过试验测试分析***(3)与L形排列吸收式造波机(9)、L形排列消波器(10)形成“模拟-反馈-控制”而获得目标波浪场。

6.根据权利要求2所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，在该风浪流耦合场模拟***(1)中，水流流速和流向利用造流泵(13)、导流管(14)、整流器(16)构成的闭环造流***进行模拟；通过控制造流泵(13)驱动水流沿导流管(14)至整流器(16)均匀喷射出来，形成目标流场；通过调节造流泵(13)的驱动方向，形成顺流向和逆流向的流场；利用流速仪(17)对水流流速进行实时测试，并通过试验测试分析***(3)与造流泵(13)、导流管(14)、整流器(16)形成“模拟-反馈-控制”而获得目标流场。

7.根据权利要求2所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，该风浪流耦合场模拟***(1)的海底地形模拟装置(11)模拟桥梁基础局部冲刷和桥位区域的海底地形，局部冲刷坑形状及其大小通过基础局部冲刷模型试验获得或根据桥梁基础局部冲刷经验模型计算确定；海底地形模拟装置(11)采用沙石、砖和水泥预制而成，桥梁全桥弹性模型(2)下部区域的海底地形模拟装置(11)设置在活动式转盘上，平面投影形状为圆形，能够根据风场、波浪场和流场的方向进行水平转动；在风浪流耦合场模拟中，海底地形模拟装置(11)将改变流场和波浪场的水质点运动速度及其方向，从而准确模拟桥位处的波-流场流态分布。

8.根据权利要求1所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，所述桥梁全桥弹性模型(2)包括缆索(31)、阻尼模拟装置(33)、模型底座(34)、基础(36)、桥塔(37)、主梁(38)和桥墩(39)，其中：

基础(36)通过模型底座(34)安装在防水六分量测力天平(18)上，防水六分量测力天平(18)安装在模型基座(35)上；

桥塔(37)和桥墩(39)固接在基础(36)上，主梁(38)通过缆索(31)与桥塔(37)连接，并支撑在桥墩(39)上；

基础(36)、桥塔(37)、桥墩(39)和主梁(38)由节段外衣(27)、弹性骨架(28)、质量配件(29)装配而成，相邻节段外衣(27)之间留有1～5mm的间隙，外衣密封带(30)用于密封相邻节段外衣(27)之间的间隙，质量配件(29)分布式安装在节段外衣(27)内侧或弹性骨架(28)上，阻尼模拟装置(33)设置在桥塔(37)和桥墩(39)的弹性骨架(28)上或节段外衣(27)内侧；

缆索(31)由包裹外衣的铜丝(15)与弹簧(32)串联模拟。

9.根据权利要求1所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，所述试验测试分析***(3)包括防水六分量测力天平(18)、位移传感器(19)、加速度传感器(20)、动水压力传感器(21)、传输导线(22)、信号控制集成单元(23)和动态响应采集单元(24)，其中：

防水六分量测力天平(18)、位移传感器(19)、加速度传感器(20)和动水压力传感器(21)通过传输导线(22)或无线与信号控制集成单元(23)进行实时通讯和交互，试验测试分析***(3)对信号控制集成单元(23)采集的风浪流耦合场环境参数和桥梁全桥弹性模型(2)的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应参数，并实现上述参数的空间相关、时间连续及同步的测量和分析。

10.根据权利要求9所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，所述动水压力传感器(21)的探头(25)按环形均匀安装在桥梁全桥弹性模型(2)水下基础表面测压孔(26)内，测压孔与探头间的空隙采用树脂胶密封处理，测压孔(26)在静水面上1～2倍波高至海底范围内按间距0.5～2cm布置，随入水深度增加布置点逐渐变疏；动水压力传感器(21)的传输导线(22)通过模型底座(34)密封孔导出，采样频率为10Hz～100Hz。

11.根据权利要求9所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，所述防水六分量测力天平(18)用于测量桥梁全桥弹性模型(2)在风浪流耦合作用下的水平力、竖向力和弯矩动态响应；J个防水六分量测力天平(18)安装在模型底座(34)下面，其中J为大于或等于1的自然数；防水六分量测力天平(18)的卓越频率高于桥梁全桥弹性模型(2)的卓越频率，采样频率设定范围为10Hz～100Hz。

12.根据权利要求9所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，所述位移传感器(19)和加速度传感器(20)成对布置，数量均为P个，其中P为大于或等于4的自然数；位移传感器(19)和加速度传感器(20)布置安装在桥塔顶端截面和桥塔中部截面的横桥向和顺桥向上，以及主梁跨中截面、主梁1/4跨截面、主梁3/4跨截面的横桥向、竖向上，用于测量桥梁全桥弹性模型(2)的位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应信息。

13.根据权利要求9所述的桥梁全桥弹性模型风浪流耦合作用动力响应试验***，其特征在于，

所述信号控制集成单元(23)和所述动态响应采集单元(24)能够集成风浪流耦合场参数和桥梁全桥弹性模型(2)位移、加速度、水下基础表面动水压力分布、基底六分力的动态响应参数，实现多变量、多通道的时间连续同步采集、存储和分析；

信号控制集成单元(23)与L形排列移动式风机阵列(4)、L形排列吸收式造波机(9)、造流泵(13)、三维风速仪(7)、波高仪(12)、流速仪(17)、位移传感器(19)、加速度传感器(20)、动水压力传感器(21)及防水六分量测力天平(18)之间通过有线或无线传输进行实时通讯和交互，各变量通道数据采样频率在1～100Hz之间根据模型***频率和环境要素频率来确定选用采样频率；

动态响应采集单元(24)自动生成采集数据文件，具有实时数据统计与处理功能，并能够同局域网内的其他计算机上的采集、数据处理***进行通讯和协调工作。