一种悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型及方法技术

一种悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型及方法，试验模型包括试验水槽、试验模型管体、锚泊系统、振动发生及传动系统和传感测量仪器，振动发生及传动系统包括小型振动台、机械传动装置和滑动式假底，小型振动台通过承重支架安装在试验水槽正上方，小型振动台台面通过机械传动装置与滑动式假底连接；滑动式假底安装在试验水槽内；试验模型管体通过锚泊系统安装在滑动式假底上；试验模型管体一端粘贴一张白色的背景纸；所述传感测量仪器包括陀螺仪、加速度传感器、非接触式应变位移测量仪。本发明专利技术实现多种地震载荷与波流载荷联合作用下悬浮隧道的动力响应试验，试验成本大幅缩减，为未来悬浮隧道的设计和建造提供了可靠依据。

【技术实现步骤摘要】
一种悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型及方法
本专利技术涉及海洋工程和桥梁隧道工程领域，具体涉及一种悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型及方法。
技术介绍
悬浮隧道是一种穿越海峡，湖泊以及长深水域的交通结构物，一般由浮在水中一定深度的管状结构、锚固在水下基础上的锚缆杆(或水上的浮箱)装置、锚固锚杆或锚固装置的水下抗拔基础及与两岸相连的构筑物组成。悬浮隧道潜在建设区域主要集中在环太平洋地震带。管体及锚索在波流荷载、地震等复杂因素下会出现较大的动力响应，影响交通的正常运行，为了保证结构的经济性、安全性、稳定性，对悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应的研究很有必要。目前对悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应分析，更多的是采用理论方法和有限元软件进行分析，但由于理论方法和有限元软件分析都会对模型进行过多的简化，导致分析结果与实际情况的误差较大。现有的试验研究主要集中在传统的波流水槽，而大部分传统的波流水槽，无法实现水下地震的模拟，更无法实现地震和波流对管道的激励作用；虽然国内外也存在一些可以实现水下地震模拟的大型水下振动台，但是通常建设周期长，造价极其昂贵，防水措施复杂，受试验场地限制，试验准备周期长，试验成本高，不利于推广。传统的振动台无法模拟波流载荷，传统的波流水槽也无法模拟地震载荷，二者无法单独解决悬浮隧道在地震与波流联合作用下的试验研究。进行结构模型试验需要满足一定的相似关系，要使模型能够准确反映原结构的全部特性，相似比越大越好，因小型振动台尺寸较小，若只局限于小型振动台台面，缩尺严重，尺寸效应明显，对试验精度有较大影响，可见专利技术一种适用于小型振动台的悬浮隧道在地震与波流联合作用下动力响应的试验装置很有必要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有悬浮隧道动力响应试验存在的上述不足，提供一种悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型及方法，尤其适用于小型振动台，可以实现多种地震载荷与波流载荷联合作用下悬浮隧道的动力响应试验，试验成本大幅缩减，为未来悬浮隧道的设计和建造提供了可靠的参考依据。本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型，包括试验水槽、试验模型管体、锚泊系统、振动发生及传动系统和传感测量仪器，所述锚泊系统包括锚索、缆索拉紧器，缆索拉紧器安装在锚索上(用于调节锚索的张拉应力)；所述振动发生及传动系统包括小型振动台、机械传动装置和滑动式假底，小型振动台通过承重支架安装在试验水槽正上方，包括小型振动台基座、小型振动台台面和小型振动台激振器，小型振动台台面通过机械传动装置与滑动式假底连接；滑动式假底安装在试验水槽内，滑动式假底包括导轨、滑块和滑动式假底面，导轨固定在试验水槽底部，滑块对称安装在导轨上，滑动式假底面与滑块的顶面通过螺栓连接；试验模型管体通过锚泊系统安装在滑动式假底上；试验模型管体一端粘贴一张白色的背景纸(背景纸与试验模型管体固定连接)，背景纸上设有四个荧光色的特征点，即靶点；所述传感测量仪器包括陀螺仪、小型振动台台面加速度传感器、滑动式假底加速度传感器、管体内加速度传感器、非接触式应变位移测量仪，陀螺仪布置在试验模型管体的重心处，用于测量围绕管轴的旋转角速度；小型振动台台面加速度传感器安装在小型振动台台面上，用于精确测量所述小型振动台台面的加速度；选取滑动式假底面四个不同位置作为特征点，在特征点上布置滑动式假底加速度传感器，用于精确测量滑动式假底面四个特征点的加速度；管体内加速度传感器用于测量管体加速度，记录管体动力响应；非接触式应变位移测量仪放置在贴有背景纸的试验模型管体的一侧，用于对特征点进行高速采样，通过对特征点进行前后运动和变形的视觉信号转化为数字信号，得到悬浮隧道水平方向平动量和垂直方向平动量。进一步，所述试验水槽主要包括水槽、造波造流装置和消波装置，所述水槽的长度远大于水槽横截面的宽度和高度尺寸，减少波浪的反射作用；所述造波造流装置布置在水槽的一端，用于模拟悬浮隧道物理模型在波流作用下的动力响应；所述消波装置布置在水槽的另一端，消波装置主要由碎石堆成，用于降低迎面波浪的反射作用。进一步，所述试验模型管体横截面设置为圆形。进一步，所述机械传动装置包括三根刚度足够大的机械传动杆、机械传动杆振动台面锚固点、机械传动杆假底面锚固点和连接杆件，沿小型振动台台面中心轴线与滑动式假底的中心轴线对称布置安装，机械传动装置主要依靠三根刚度足够大的机械传动杆进行传动，起点为机械传动杆振动台面锚固点，终点为机械传动杆假底面锚固点，机械传动杆通过连接杆件构成一个整体(减少结构颤振，确保传动的有效性)，以滑动式假底的地震加速度信号作为试验模型管体输入的地震加速度信号。进一步，所述传感测量仪器还包括水下张力传感器、波高仪、流速计，水下张力传感器、波高仪、流速计分别用于获取试验的锚索张力、波高、流速参数。本专利技术还提供了一种采用上述悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型进行动力响应试验的分析方法，包括以下步骤：步骤一：制作试验模型管体，将陀螺仪和管体内加速度传感器安装至试验模型管体的重心位置，在试验模型管体的一端部横截面上设置四个靶点；步骤二：在试验水槽上方安装承重支架，将小型振动台安装在试验水槽上方的承重支架中间位置，将滑动式假底安装在试验水槽内，使滑动式假底面的中心轴线与小型振动台台面的中心轴线在同一条直线上，在滑动式假底面与小型振动台台面上分别安装滑动式假底加速度传感器、小型振动台台面加速度传感器；步骤三：将小型振动台台面与滑动式假底面通过机械传动装置连接；步骤四：将试验模型管体放置到试验水槽中，试验模型管体通过锚泊系统安装在滑动式假底上，安装锚泊系统并通过缆索拉紧器调节初始张力，安装其它传感测量仪器；步骤五：开启小型振动台，模拟水平地震信号输入，记录小型振动台台面加速度传感器和滑动式假底加速度传感器的数据，验证地震输入信号的有效性，及水下地震模拟的可靠性；步骤六：打开造波造流装置进行造波和造流，同时也打开消波装置，收集和整理传感测量仪器所得到的动态时域响应数据，分析试验模型管体在地震与波流联合作用下的动力响应。本专利技术与现有的装置和方法相比较，存在如下明显的有益效果：1、小型振动台与波流水槽在各大高校普遍存在，本专利技术试验模型将二者结合起来，利用机械传动装置将小型振动台与波流水槽组合起来，利用加速度传感器实时监控小型振动台台面与滑动式假底面加速度信号，可验证水下地震信号的可靠性，利用传统波流水槽，结合特殊设计的载荷传递装置(机械传动装置)将小型地震振动台振动传递到水底，从而模拟水下地震和波流作用，实现地震与随机波流激励下悬浮隧道及其锚索的耦合动力学分析的试验模拟；该装置结构简单，机理明确，可靠性高，安装操作方便，试验成本大幅缩减，可以实现多种地震载荷与波流载荷联合作用下悬浮隧道的动力响应试验；2、本专利技术通过设置光滑的水平导轨，使滑动式假底面只能发生水平位移，而其他自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型，其特征在于，包括试验水槽、试验模型管体、锚泊系统、振动发生及传动系统和传感测量仪器，所述锚泊系统包括锚索、缆索拉紧器，缆索拉紧器安装在锚索上；所述振动发生及传动系统包括小型振动台、机械传动装置和滑动式假底，小型振动台通过承重支架安装在试验水槽正上方，包括小型振动台基座、小型振动台台面和小型振动台激振器，小型振动台台面通过机械传动装置与滑动式假底连接；滑动式假底安装在试验水槽内，滑动式假底包括导轨、滑块和滑动式假底面，导轨固定在试验水槽底部，滑块对称安装在导轨上，滑动式假底面与滑块的顶面通过螺栓连接；试验模型管体通过锚泊系统安装在滑动式假底上；试验模型管体一端粘贴一张白色的背景纸，背景纸上设有四个荧光色的特征点，即靶点；所述传感测量仪器包括陀螺仪、小型振动台台面加速度传感器、滑动式假底加速度传感器、管体内加速度传感器、非接触式应变位移测量仪，陀螺仪布置在试验模型管体的重心处，用于测量围绕管轴的旋转角速度；小型振动台台面加速度传感器安装在小型振动台台面上，用于精确测量所述小型振动台台面的加速度；选取滑动式假底面四个不同位置作为特征点，在特征点上布置滑动式假底加速度传感器，用于精确测量滑动式假底面四个特征点的加速度；管体内加速度传感器用于测量管体的运动加速度，记录管体动力响应；非接触式应变位移测量仪放置在贴有背景纸的试验模型管体的一侧，用于对特征点进行高速采样，通过对特征点进行前后运动和变形的视觉信号转化为数字信号，得到悬浮隧道水平方向平动量和垂直方向平动量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型，其特征在于，包括试验水槽、试验模型管体、锚泊系统、振动发生及传动系统和传感测量仪器，所述锚泊系统包括锚索、缆索拉紧器，缆索拉紧器安装在锚索上；所述振动发生及传动系统包括小型振动台、机械传动装置和滑动式假底，小型振动台通过承重支架安装在试验水槽正上方，包括小型振动台基座、小型振动台台面和小型振动台激振器，小型振动台台面通过机械传动装置与滑动式假底连接；滑动式假底安装在试验水槽内，滑动式假底包括导轨、滑块和滑动式假底面，导轨固定在试验水槽底部，滑块对称安装在导轨上，滑动式假底面与滑块的顶面通过螺栓连接；试验模型管体通过锚泊系统安装在滑动式假底上；试验模型管体一端粘贴一张白色的背景纸，背景纸上设有四个荧光色的特征点，即靶点；所述传感测量仪器包括陀螺仪、小型振动台台面加速度传感器、滑动式假底加速度传感器、管体内加速度传感器、非接触式应变位移测量仪，陀螺仪布置在试验模型管体的重心处，用于测量围绕管轴的旋转角速度；小型振动台台面加速度传感器安装在小型振动台台面上，用于精确测量所述小型振动台台面的加速度；选取滑动式假底面四个不同位置作为特征点，在特征点上布置滑动式假底加速度传感器，用于精确测量滑动式假底面四个特征点的加速度；管体内加速度传感器用于测量管体的运动加速度，记录管体动力响应；非接触式应变位移测量仪放置在贴有背景纸的试验模型管体的一侧，用于对特征点进行高速采样，通过对特征点进行前后运动和变形的视觉信号转化为数字信号，得到悬浮隧道水平方向平动量和垂直方向平动量。


2.根据权利要求1所述的悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型，其特征在于，所述试验水槽主要包括水槽、造波造流装置和消波装置，所述水槽的长度远大于水槽横截面的宽度和高度尺寸，减少波浪的反射作用；所述造波造流装置布置在水槽的一端，用于模拟悬浮隧道物理模型在波流作用下的动力响应；所述消波装置布置在水槽的另一端，消波装置主要由碎石堆成，用于降低迎面波浪的反射作用。


3.根据权利要求1所述的悬浮隧道在地震与波流联合作用下的动力响应试验模型，其特征在于，所述试验模型管体横截面设置为圆形。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：巫志文，柯威，王鼎鑫，卢福聪，张楚邯，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45