本发明属于桥梁风洞试验装置技术领域，涉及一种扭转和竖弯振动频率比可调的耦合自由振动风洞试验装置，是一种可以实现桥梁刚性模型大振幅的、能够保证线性竖向刚度和扭转刚度、且能够简便调节扭转与竖弯振动频率比的自由振动风洞试验装置，具体涉及到通过竖置线性拉伸弹簧、与模型在两端固定的轻质刚性圆形大轮毂、连接弹簧与轮毂的高强细绳、轻质刚性小轮毂和碳纤维绳构成的系统，将桥梁模型扭转和竖弯大振幅耦合自由振动转化为线性弹簧的竖向自由伸缩，利用弹簧的线性拉伸刚度和圆形刚性轮毂实现系统的线性竖向平动和线性扭转刚度，扭转总体刚度可以通过调节小轮毂直径和碳纤维绳拉伸刚度来实现，有效解决了以往试验方法不便调换扭转与竖弯振动频率比的困难。对于指定的工况，由于系统在整个耦合大幅振动过程中，质量和质量惯矩始终不变，弹簧和碳纤维绳的拉索刚度也不变，因此竖向平动频率和绕轮毂中心转动频率保持恒定。
背景技术：
桥梁刚性模型扭转和竖向耦合自由振动法是风洞试验测振(涡振、抖振、驰振、颤振)的一种主要方法，也是桥梁颤振导数识别的一种重要试验方法。以往竖向和扭转大振幅耦合自由振动风洞试验装置采用竖直弹簧，细绳连接轮毂与弹簧，高强细绳进行侧向限位，优点在于装置简单，实现方便。为了研究的需要，桥梁大振幅耦合自由振动风洞试验通常需要采用多种扭转和竖弯振动频率比，以往试验装置只能通过采用不同轮毂直径来改变系统的扭转刚度和扭转和竖弯振动频率比。其问题包括：试验工作繁琐，直径太大的轮毂既不便于制作，也容易导致系统超重而失去可行性，而且制作多种型号轮毂也会增加费用。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对风洞试验中桥梁及其他结构构件节段模型多种扭转和竖弯振动频率比向大振幅耦合自由振动的需要，提供一种可以快捷有效调整系统扭转和竖弯振动频率比的自由振动试验装置。
本发明的技术方案：
一种扭转和竖弯振动频率比可调的耦合自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、轻质刚性杆2、轻质刚性圆形大轮毂3、细绳4、线性拉伸弹簧5、碳纤维绳6和轻质小轮毂7；刚性试验模型1两端固结轻质刚性杆2，轻质刚性杆2垂直穿过轻质刚性圆形大轮毂3和轻质小轮毂7的中心并与轻质刚性圆形大轮毂3和轻质小轮毂7固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与轻质刚性杆2轴线、轻质刚性圆形大轮毂3中心线和轻质小轮毂7中心线共线；细绳4缠绕在轻质刚性圆形大轮毂3的凹槽内，细绳4一端与轻质刚性圆形大轮毂3底部固定，另一端与线性拉伸弹簧5下端连接；碳纤维绳6缠绕在轻质小轮毂7的凹槽内；保证刚性试验模型1、轻质刚性圆形大轮毂3和轻质小轮毂7在扭转和竖向耦合自由振动过程中，轻质刚性圆形大轮毂3与细绳4，轻质小轮毂7与碳纤维绳6之间仅发生相对滚动；碳纤维绳6和线性拉伸弹簧5同时提供扭转刚度；由于轻质小轮毂7直径远小于轻质刚性圆形大轮毂3直径，碳纤维绳6有足够拉伸刚度，因此也可以起到侧向限位作用；刚性试验模型1在做扭转和竖向耦合自由振动过程中，细绳4带动线性拉伸弹簧5做上下竖直运动，线性拉伸弹簧5在伸缩过程中只产生竖向拉伸变形而不发生侧向倾斜；振动系统竖向刚度由线性拉伸弹簧5拉伸刚度决定，系统扭转刚度由线性拉伸弹簧5和碳纤维绳6拉伸刚度及轻质刚性圆形大轮毂3和轻质小轮毂7的直径来决定；通过调整轻质小轮毂7的直径和碳纤维绳6的刚度(与其直径、根数及长度有关，可方便调整)来调整系统的整体扭转刚度，进而实现不同的扭转和竖弯振动频率比。
所述的轻质小轮毂7直径根据所要调节的扭转频率要求进行选择，且具有轻质，高强的特性，直径可在3-5cm范围内选用。
所述的碳纤维绳6具有轻质、高强、线弹性、低弹模等特点；碳纤维绳6的预张力，需保证在扭转振动过程中，碳纤维绳6始终处于线性拉伸状态；系统的扭转刚度可以通过改变碳纤维绳6的根数、直径、长度进行调节，相对更换不同直径的轻质小轮毂7更为方便，也不一定局限于碳纤维绳，只要满足轻质、高强、线弹性等特点即可。
本发明的有益效果：对于需要多种扭转和竖弯振动频率比试验工况，相比于以往扭转和竖向耦合大振幅自由振动风洞试验装置，本发明装置可以通过非常方便改变小轮毂直径、碳纤维绳数量、直径和长度来改变系统扭转刚度和扭转和竖弯振动频率比，而且扭转和竖弯振动频率比试验范围很宽，基本不受限制。
附图说明
图1是本发明的一种扭转和竖弯振动频率比可调的耦合自由振动风洞试验装置示意图。
图中：1刚性试验模型；2轻质刚性杆；3轻质刚性圆轮毂；4细绳；5线性拉伸弹簧；6碳纤维绳；7轻质小轮毂。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种扭转和竖弯振动频率比可调的耦合自由振动风洞试验装置，包括刚性试验模型1、轻质刚性杆2、轻质刚性圆形大轮毂3、细绳4、线性拉伸弹簧5、碳纤维绳6和轻质小轮毂7。刚性试验模型1两端固结刚性杆2，刚性杆2垂直穿过轻质刚性圆形大轮毂3和轻质小轮毂7的中心并与依次与二者固定，且保证刚性试验模型1扭转中心线与刚性杆2轴线、轻质刚性圆形大轮毂3和轻质刚性圆轮毂7中心线共线；细绳4缠绕在轻质刚性圆形大轮毂3的凹槽内，细绳4一端与轻质刚性圆形大轮毂3底部固定，另一端与线性拉伸弹簧5下端连接；碳纤维绳6缠绕在轻质刚性圆轮毂7的凹槽内；保证刚性试验模型1、轻质刚性圆形大轮毂3和轻质刚性圆轮毂7在扭转和竖向耦合自由振动过程中，轻质刚性圆形大轮毂3与细绳4，轮毂7与碳纤维绳6之间仅发生相对滚动；碳纤维绳6和弹簧5同时提供扭转刚度；刚性试验模型1在做扭转和竖向耦合自由振动过程中，细绳4带动线性拉伸弹簧5做上下竖直运动。可以非常方便地调整轻质刚性圆轮毂7的直径和碳纤维绳6的直径、根数及长度，进而实现不同的扭转和竖弯振动频率比。
1.一种扭转和竖弯振动频率比可调的耦合自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的耦合自由振动风洞试验装置包括刚性试验模型(1)、轻质刚性杆(2)、轻质刚性圆形大轮毂(3)、细绳(4)、线性拉伸弹簧(5)、碳纤维绳(6)和轻质小轮毂(7)；刚性试验模型(1)两端固结轻质刚性杆(2)，轻质刚性杆(2)垂直穿过轻质刚性圆形大轮毂(3)和轻质小轮毂(7)的中心并与轻质刚性圆形大轮毂(3)和轻质小轮毂(7)固定，且保证刚性试验模型(1)扭转中心线与轻质刚性杆(2)轴线、轻质刚性圆形大轮毂(3)中心线和轻质小轮毂(7)中心线共线；细绳(4)缠绕在轻质刚性圆形大轮毂(3)的凹槽内，细绳(4)一端与轻质刚性圆形大轮毂(3)底部固定，另一端与线性拉伸弹簧(5)下端连接；碳纤维绳(6)缠绕在轻质小轮毂(7)的凹槽内；保证刚性试验模型(1)、轻质刚性圆形大轮毂(3)和轻质小轮毂(7)在扭转和竖向耦合自由振动过程中，轻质刚性圆形大轮毂(3)与细绳(4)，轻质小轮毂(7)与碳纤维绳(6)之间仅发生相对滚动；碳纤维绳(6)和线性拉伸弹簧(5)同时提供扭转刚度；由于轻质小轮毂(7)直径远小于轻质刚性圆形大轮毂(3)直径，碳纤维绳(6)的拉伸刚度起到侧向限位作用。
2.根据权利要求1所述的一种扭转和竖弯振动频率比可调的耦合自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的轻质小轮毂(7)直径根据所要调节的扭转频率要求进行选择，直径为3-5cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种扭转和竖弯振动频率比可调的耦合自由振动风洞试验装置，其特征在于，所述的碳纤维绳(6)的预张力，需保证在扭转振动过程中，碳纤维绳(6)始终处于线性拉伸状态；系统的扭转刚度通过改变碳纤维绳(6)的根数、直径和长度进行调节。
技术总结