一种曲线斜拉桥气动弹性模型主梁芯梁结构

1.本实用新型涉及桥梁工程风洞试验技术领域，具体涉及一种曲线斜拉桥气动弹性模型主梁芯梁结构。


背景技术：

2.曲线斜拉桥作为斜拉桥的一个分支，主要运用于线路两端位于曲线的跨线桥，该类桥型是由曲线型主梁与斜斜拉索组合的空间桥梁，与传统的直线斜拉桥和曲线梁桥相比，曲线斜拉桥受力比较复杂，在结构特性，气动性能方面有着不同的特点。首先在结构固有特性上，曲线斜拉桥主梁的竖弯、侧弯和扭转振型完全耦合在一起，表现为强烈的空间特性，因而曲线斜拉桥没有单纯的竖弯、侧弯和扭转振型。与其结构固有动力特性相对应，曲线斜拉桥的颤振，涡激共振形态也较为复杂。
3.全桥气动弹性模型风洞试验可以更为真实地模拟自然风作用下桥梁结构的各种空气动力作用，以及结构主要振型之间的相互耦合作用，是检验桥梁颤振、抖振、涡激振动及静风稳定性最直接和最准确的方法。根据缩尺实验相似比的要求，桥梁主梁模型的竖向刚度、横向刚度和扭转刚度必须满足相似要求。为了满足上述刚度的需要，一般桥梁模型采用金属芯梁模拟，如钢质芯梁。传统的气动弹性模型的主梁芯梁通常采用π型槽钢作为主梁芯梁，这类芯梁对于模拟曲线型斜拉桥主梁芯梁有以下缺点：
4.(1)无法满足对曲线斜拉桥竖弯、侧弯和扭转振型强烈耦合的复杂振型的准确模拟；
5.(2)因为π型槽钢是开口截面，往往在满足竖弯和侧弯刚度相似的时候，扭转刚度不足，如果改变槽钢的壁厚，扭转刚度得以提升，但竖弯和侧弯刚度会过大，难以同时实现竖弯、侧弯和扭转的刚度相似。
6.(3)只能模拟结构的一阶模态。


技术实现要素：

7.本实用新型的一个目的在于提供一种曲线斜拉桥气动弹性模型主梁芯梁结构，通过改变芯梁结构，满足全桥气动弹性模型风洞试验的竖向刚度、横向刚度和扭转刚度的相似要求。
8.该目的采用以下技术方案实现：本装置包括芯梁，所述芯梁包括顺桥向设置的π形主芯梁，π形主芯梁包括一个顶板和两个侧板，两个侧板的一侧面均连接在顶板的下端面上，一个顶板和两个侧板组成一个下端开口的π形结构。
9.现有的芯梁由于π形主芯梁的顶板和两个侧板组成一个下端开口的结构，因此不能同时满足竖弯、侧弯和扭转的刚度要求，为了解决上述问题，现有的结构将π形主芯梁的壁厚增大，该结构使扭转刚度增大，但该结构会导致竖弯和侧弯刚度过度增大，同样不能满足使用条件，基于此，本发明人在现有的π形主芯梁的基础上，增加顺桥向设置的副芯梁，副芯梁为空心结构，副芯梁位于主芯梁的两个侧板之间并与主芯梁的顶板连接。这样不仅能
够增大扭转刚度，同时，由于副芯梁位于主芯梁内，并且副芯梁与两个侧板之间均有间隙，因此在增大扭转刚度的同时，不会影响竖弯和侧弯刚度，能够保证竖向刚度、横向刚度和扭转刚度的相似要求。
10.进一步的，为了进一步的提高使用效率，本结构的副芯梁为空心方管。方管为矩形管，副芯梁的上端面与顶板连接，副芯梁的两个侧面与侧板相互平行，副芯梁为空心方管不仅能够更好的保证竖向刚度、横向刚度和扭转刚度的相似要求，同时能够减轻芯梁的重量，提高使用效率。
11.其次，副芯梁的壁厚与主芯梁的顶板的厚度之比为1:1.5-2.5。优选的，副芯梁的壁厚与主芯梁的顶板的厚度之比为1:2。副芯梁的外径与主芯梁的顶板的宽度之比为1:2-4。优选的，副芯梁的外径与主芯梁的顶板的宽度之比为1:3。
12.在此基础上，包括箱梁外模，所述箱梁外模包括曲线外侧箱梁外模、中间箱梁外模和曲线内侧箱梁外模，中间箱梁外模关于芯梁中心线对称设置，曲线外侧箱梁外模和曲线内侧箱梁外模沿芯梁中心线对称分布在中间箱梁外模两侧。曲线外侧箱梁外模和曲线内侧箱梁外模的结构相同，曲线外侧箱梁外模、中间箱梁外模和曲线内侧箱梁外模均包括若干顺桥向间隔设置的梁段外模。曲线外侧箱梁外模、中间箱梁外模和曲线内侧箱梁外模通过次梁连接。
13.本装置的曲线外侧箱梁外模、中间箱梁外模和曲线内侧箱梁外模为环保可降解材料聚乳酸(pla)3d打印而成，将箱梁外模分为三段结构，在使用时能满足常规实验需求，并且每段箱梁外模由若干梁段外模组成，这样在使用时便于拆装和转运，能够进一步的提高使用效率。曲线外侧箱梁外模、中间箱梁外模和曲线内侧箱梁外模对应的梁段外模通过次梁连接。具体的，次梁一端与芯梁侧面连接，次梁与芯梁侧面连接的一端设置有带开孔的连接板。通过连接板使次梁与芯梁侧面连接，能够更便于芯梁与次梁的焊接，提高使用效率，并且连接板带有开孔，带有开孔的连接板不仅能够提高连接强度，同时能够有效的减轻次梁的重量，便于使用，并且连接板上开孔的内径大小为芯梁长度的10％。当长度比例在上述比例时本结构的强度最好，更便于使用。优选的，连接板上设置有用于连接斜拉索的连接孔。
14.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
15.本实用新型一种曲线斜拉桥气动弹性模型主梁芯梁结构，本装置通过在π形主芯梁内设置一个副芯梁，使得本装置能够同时满足竖向刚度、横向刚度和扭转刚度的相似要求，进而实现对曲线斜拉桥竖弯、侧弯和扭转振型的准确模拟，并且本装置可精确模拟曲线斜拉桥的至少前三阶模态，进一步的提高了使用效率。同时本装置结构简单，便于长期使用。
16.用于连接箱梁外模的次梁通过其上的连接板不仅能更好的与芯梁连接，同时连接板上的开孔能够进一步的减轻次梁重量，提高使用效率；
17.箱梁外模通过若干梁段外模组成，在使用时便于拆装和转运，更便于操作使用。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
19.图1为实施例1中芯梁的结构示意图；
20.图2为实施例3中次梁在芯梁上的位置结构示意图；
21.图3为实施例5中箱梁外模的结构示意图；
22.图4为实施例3中沿次梁所在方向剖面图。
23.附图中标记及对应的零部件名称：
24.1-芯梁，2-梁段外模，3-次梁，4-曲线外侧箱梁外模，5-中间箱梁外模，6-曲线内侧箱梁外模，7-主芯梁，8-副芯梁，9-连接板，10-连接孔。
具体实施方式
25.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
27.【实施例1】
28.本装置包括芯梁1，所述芯梁1包括顺桥向设置的π形主芯梁7，π形主芯梁7包括一个顶板和两个相互平行的侧板，两个侧板的一侧面均垂直连接在顶板的下端面上，一个顶板和两个侧板组成一个下端开口的π形结构。在本实施例中，主芯梁7为钢材，两个侧板之间的距离大小为主芯梁7的凹槽的宽度，主芯梁7的凹槽的深度为侧板的高度，主芯梁7的凹槽的宽度与深度之比为3:2。
29.如图1所示，芯梁1还包括顺桥向设置的副芯梁8，所述副芯梁8为空心结构，副芯梁8 位于主芯梁7的两个侧板之间，并且副芯梁8的上端与主芯梁7的顶板连接。
30.在本实施例中，副芯梁8和主芯梁7通过焊接形成一体结构，并且副芯梁8为空心方管，副芯梁8的上端面与主芯梁7的顶板的下端面连接，副芯梁8的左侧面和右侧面均与主芯梁 7的两个侧板相互平行，同时，副芯梁8的左侧面与主芯梁7的一个侧板之间的距离相同，副芯梁8的右侧面与主芯梁7的另一个侧板之间的距离相同。
31.在本实施例中，副芯梁8的壁厚与主芯梁7的顶板的厚度之比为1:2。副芯梁8的外侧的宽度与主芯梁7的顶板的宽度之比为1:3，其中主芯梁7的顶板的宽度为两个侧板之间的距离。
32.在本实施例中，本装置的竖弯刚度和侧弯刚度分别由主芯梁7的竖向刚度和侧弯刚度提供，而本装置的扭转刚度由两部分组成：一部分是主芯梁7自身的扭转刚度，另一部分是副芯梁8的扭转刚度。
33.【实施例2】
34.在实施例1的基础上，副芯梁8还可以为空心圆管，顶板与副芯梁8外切，并且通过焊接形成一体结构，在本实施例中，副芯梁8的壁厚与主芯梁7的顶板的厚度之比为1:2。副芯梁8的外径与主芯梁7的顶板的宽度之比为1:3，其中主芯梁7的顶板的宽度为两个侧板之
间的距离。
35.【实施例3】
36.在实施例1的基础上，如图4所示，本装置还包括箱梁外模，芯梁1的侧面上与若干次梁3的一端连接，次梁3用于连接箱梁外模。如图2所示，次梁3在芯梁1的两个相对的侧面上横向间隔设置，为增强次梁的抗弯性能，同时降低次梁的重量，在次梁与芯梁1的侧面接触的位置采用了矩形开孔的方式，即次梁3与芯梁1侧面连接的一端设置有带开孔的连接板9。连接板与芯梁侧面相接触的第一连板用于与芯梁侧面焊接，与第一连板相对的第二连板上方设置有连接孔10，方便张拉斜拉索。同时，在本实施例中，为了提高次梁强度，连接板9上开孔的内径大小为芯梁1长度的10％。
37.【实施例4】
38.在实施例3的基础上，箱梁外模可以包括结构相同的左箱梁外模和右箱梁外模，左箱梁外模和右箱梁外模互相平行且对称设置，左箱梁外模和右箱梁外模均包括多个顺桥向间隔设置的梁段外模，每个次梁依次穿过左箱梁外模和右箱梁外模相对应的梁段外模。
39.【实施例5】
40.在实施例3的基础上，箱梁外模可以包括三部分，即曲线外侧箱梁外模4、中间箱梁外模5和曲线内侧箱梁外模6，其中曲线外侧箱梁外模4和曲线内侧箱梁外模6结构相同，如图3所示，中间箱梁外模5关于芯梁1中心线对称设置，曲线外侧箱梁外模4和曲线内侧箱梁外模6沿芯梁1中心线对称分布在中间箱梁外模5两侧。
41.曲线外侧箱梁外模4、中间箱梁外模5和曲线内侧箱梁外模6均包括若干顺桥向间隔设置的梁段外模2。每个次梁依次穿过曲线外侧箱梁外模4、中间箱梁外模5和曲线内侧箱梁外模6对应的梁段外模2。
42.在本实施例中，曲线外侧箱梁外模4和曲线内侧箱梁外模6的曲率半径为20m，曲线外侧箱梁外模4、中间箱梁外模5和曲线内侧箱梁外模6采用环保可降解材料聚乳酸(pla)3d 打印而成。
43.在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
44.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。