CN102662071A - 一种高精度风速测试支架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度风速测试支架，包括支架部分和振动测试部分，所述支架部分包括水平放置的水平主杆（1）、竖直主杆（2）、水平左拉杆（3）、水平右拉杆（4）、竖直撑杆（5）、竖直拉杆（6）、照明设备（8）和三向加速度传感器（9）；所述振动测试部分包括三向加速度传感器（9）和水平钢板（7）两个部分，其中，水平主杆（1）左端固定于被测结构物表面，右端凸出于被测结构物表面；竖直主杆（2）的下端垂直固定于水平主杆（1）右端，竖直主杆（2）上端用于安装风速仪，且竖直主杆（2）与水平主杆（1）处于同一竖直平面内。本发明携带方便、剔除风速仪自身振动的干扰、测试精度高，能够更加合理地满足结构物风环境测试的需要。

Description

一种高精度风速测试支架

技术领域

本发明涉及一种高精度风速测试支架，尤其适用于在大型工程结构所处的风环境进行测试时，起到在所选测试部位对各类风速仪进行固定同时剔除结构振动干扰的作用，主要应用于土木结构风工程领域。

背景技术

风灾是自然灾害的主要灾种之一，由其造成的人员伤亡和经济损失巨大。近年来，我国东南沿海地区相继建成了一批具有世界影响力大跨、高柔结构，例如：世界第1大跨度斜拉桥——主跨1088米的苏通大桥、世界第3大跨度悬索桥——主跨1490米的润扬大桥、东方明珠塔、上海环球金融中心等。随着结构跨度和高度的不断增加，结构趋向柔性，对风的敏感性加大；并且这些结构处于台风多发区，甚至有可能出现遭受台风正面袭击的情况，使得风荷载通常成为结构设计的主要控制荷载。我国目前对于不同建筑场地风场特性的实测资料还相当缺乏，结构设计的风荷载取值也没有足够的实测数据支持。因此，开展不同地区的风特性实测工作意义重大。

现有的风特性数据主要来自于各气象站，这些数据存在采样频率低、精度差、数据缺乏连续性、采集站稀少等缺点。不仅如此，由于风特性受地形地貌、建筑环境等影响较大，不同地区的风特性差异较大，因此一个地区的测试结果并不能很好的适用于别的地区。为了了解建筑场地的风场特性，往往需要安装风速仪进行现场实测。在现场实测的过程中，需要设法将风速仪固定在距离结构物表面一定距离的空中位置，以减小建筑物对空气流程的影响而获得尽量准确的风特性数据。这就需要合适的固定支架，其一端固定风速仪，另一端固定在结构物表面。在实际应用中，由于大部分结构物表面并没有供风速仪安装的支架，只能在现场临时制作一个简单的支撑或者直接将风速仪固定在结构上，这样不仅造成测试结构的不准确，还给测试工作增加了难度。因此，急需一种可以让测试人员随身携带且具有稳定性好、安装/拆卸简单、适应环境能力强等优点的风速仪支架。为此，东南大学已经申请了国家发明专利——一种风速仪支架（专利授权号：ZL200810196374.X, 发明人：王浩，李爱群，王晨，谢静），该专利已经在润扬大桥、苏通大桥等的现场测风中进行了应用。

然而，在风荷载作用下结构会发生振动，固定于结构物表面的风速仪也会不断的振动，这种振动显然会对测试造成影响，无疑使得风速仪的测试数据存在一定的偏差。使用不准确的风特性数据将使得计算的结构风致响应存在误差，极端情况下还可能引起结构倒塌，造成无法挽回的损失。因此，设计一种高精度风速测试支架对于合理的结构抗风设计至关重要。然而目前仅是通过风速仪支架将风速仪固定于结构表面进行风特性测试，根本无法去除振动干扰对测试结果的影响。

结构振动对风速仪测试影响的理论分析模型并不难得到。通过设计具有确定风荷载输入的两组风洞对比试验即可获得。其中一组为风速仪固定，另一组风速仪有着固定的加速度输入。通过两组风洞试验结果的对比，即可获得振动对风特性测试结果影响的理论模型研究，并据此建立振动对风特性测试结果影响的有效解决方案。

为了满足风特性现场实测的风速仪固定和测试数据修正的需要，选用高强轻质不锈钢材料制作风速仪支架，并在支架上安装振动测试仪器，利用振动测试结果对风速仪采集数据进行修正是有效途径之一。在已有风速仪支架的水平杆靠近结构物表面位置安装高精度三维振动传感器。在测量风特性的同时也测量结构物在风速仪固定位置的振动。利用振动数据对风速仪的采集结果进行修正，从而剔除由于结构振动引起的风特性测试数据的误差，大大提高风特性测试结果的准确性。风速仪支架的水平杆、支撑以及竖直杆均能够根据现场情况进行长度调节，各个部件均可方便的安装和拆卸，使得风速仪支架携带及其方便。另外，可在竖杆的底部安装照明设备以满足夜间测试的需要。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种可消除结构振动的高精度风速测试支架，不仅可以满足不同工程结构以及不同测试部位对风特性的测量要求，能可靠、稳定地将风速仪固定于结构物表面；同时还能够测量出风速仪所在部位的结构振动，并利用振动数据对风特性测试结果进行修正以提高测试精度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度风速测试支架，包括支架部分和振动测试部分，所述支架部分包括水平放置的水平主杆、竖直主杆、水平左拉杆、水平右拉杆、竖直撑杆、竖直拉杆、照明设备和三向加速度传感器；所述振动测试部分包括三向加速度传感器和水平钢板两个部分，其中，

水平主杆左端固定于被测结构物表面，右端凸出于被测结构物表面；

竖直主杆的下端垂直固定于水平主杆右端，竖直主杆上端用于安装风速仪，且竖直主杆与水平主杆处于同一竖直平面内；

水平左拉杆和水平右拉杆的一端分别固定于水平主杆右端，水平左拉杆和水平右拉杆的另一端分别固定于被测结构物表面，且水平左拉杆、水平右拉杆与水平主杆处于同一水平面内；

竖直撑杆和竖直拉杆的一端分别固定于水平主杆右端，竖直撑杆和竖直拉杆的另一端分别固定于被测结构物表面，且竖直撑杆、竖直拉杆、水平主杆与竖直主杆处于同一竖直平面内，竖直主杆上端用于安装风速仪；

水平钢板焊接于水平主杆上表面靠近左侧端部位置；

三向加速度传感器固定于水平钢板上表面；水平主杆左端下侧安装照明设备。

优选的，水平钢板的面积与速度传感器的底座面积相同。

有益效果：通过对风速测试支架和振动测试部分的集成设计，使得该高精度风速测试支架不仅能够满足不同测试环境对风速仪的安装要求，具有稳定性好、可照明、可伸缩、可安装/拆卸、便携以及防腐等功能，能够更好地适应各类野外测试工作；同时还可利用振动测试数据对风速仪的测试结果进行修正，提高风特性测试精度。很显然，该风速仪支架给广大风工程测试研究人员提供了诸多便利，随着国内外对风特性现场实测重视程度的增加以及结构风工程研究朝着精细化方向发展，该高精度风速测试支架必定会受到工程技术人员的青睐，因此具有广泛的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明的风速测试支架安装后的俯视图；

图2是本发明的风速测试支架安装后的右视图；

图3是本发明的风速测试支架安装后的前视图；

图4是本发明中水平主杆的三维立体图；

图5是本发明中竖直主杆的三维立体图；

图6是本发明中水平左拉杆、水平右拉杆、竖直撑杆和竖直拉杆的三维立体图；

图中各附图标记为：水平主杆1；竖直主杆2；水平左拉杆3；水平右拉杆4；竖直撑杆5；竖直拉杆6；水平钢板7；照明设备8，高精度三向加速度传感器9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1～图6所示，本发明的风速测试支架包括水平主杆1；竖直主杆2；水平左拉杆3；水平右拉杆4；竖直撑杆5；竖直拉杆6；水平钢板7；照明设备8，高精度三向加速度传感器9。

水平主杆1水平放置，左端固定于被测结构物表面，右端凸出于被测结构物表面；竖直主杆2下端垂直固定于水平主杆右端3，上端可安装各种类型的高精度风速仪，且与水平主杆1处于同一竖直平面内；水平左拉杆3和水平右拉杆4的右端分别固定于水平主杆1右端的左、右两侧，左端固定于被测结构物表面，且与水平主杆1处于同一水平面内；竖直撑杆5和竖直拉杆6的右端分别固定于水平主杆1右端的上、下两侧，左端固定于被测结构物表面，且与水平主杆1处于同一竖直平面内；水平钢板7焊接于水平主杆1上表面靠近左侧端部位置。

水平主杆1、水平左拉杆3、水平右拉杆4、竖直撑杆5和竖直拉杆6均可调节5种长度，如图4所示；竖直主杆2可以调节2种长度，如图5所示；水平左、右撑杆和竖直上拉杆亦可以调节5种长度，如图6所示。高精度风速测试支架的所有杆件均为可伸缩的结构，杆件与杆件之间通过可拆卸方式连接。在高精度风速测试支架不用时，将支架的各个杆件相互拆开，并将每一根杆件缩至最短，以方便携带。在高精度风速测试支架使用时，首先根据测试位置的建筑物表面的情况，预先调节水平主杆1、竖直主杆2、水平左拉杆3、水平右拉杆4、竖直撑杆5和竖直拉杆6的长度，使支架安装于结构表面后其水平主杆1水平、竖直主杆2竖直，且使竖直主杆2离开建筑物表面尽量远；其次将竖直主杆2固定于水平主杆1右端，将水平左拉杆3、水平右拉杆4、竖直撑杆5和竖直拉杆6的右端固定于水平主杆1右端，将水平主杆1、水平左拉杆3、水平右拉杆4、竖直撑杆5和竖直拉杆6的左端固定于待测结构物表面；最后将振动测试部分9固定于水平钢板7上表面，风速仪支架安装完成。在进行风特性测试的过程中，同时利用高精度三向加速度传感器9采集加速度数据，以便于对风速仪测试数据进行修正。在夜间进行风特性测试时，将照明设备8固定于竖直主杆2的下端，达到对风速仪及测试人员照明的效果。

下面对本发明的工作原理做进一步详细的说明：

本支架可以调节杆件的长度，水平主杆的5种长度分别是1a、2a、3a、4a、5a，（其中a为一常量，以m为单位，下同），其中每段杆件的壁厚均为0.5cm，最大外径为12cm；竖直主杆可调节的两种长度分别是3a和6a，其中每段杆件的壁厚均为1cm，最大外径为12cm；水平左、右撑杆和竖直上拉杆可调节的5种长度分别是1.5a、3a、4.5a、6a、7.5a，其中每段杆件的壁厚均为0.5cm，最大外径为12cm。

安装前首先需要确定水平主杆及4根撑竿固定在被测结构的哪一部位，以确定水平主杆、水平撑杆、竖直撑（拉）杆的长度。同时需要注意，水平撑杆、竖直撑（拉）杆的长度是一一对应的。例如，水平主杆取长度为1a时，对应水平撑杆和竖直上拉杆的长度均为1.5a，以此类推。

所述高精度三向加速度传感器9测得的振动信号，必须结合结构振动对风特性测试结果影响的理论分析模型来进行应用。首先由加速度传感器9测出风速仪自身的振动，再根据理论分析模型对振动的影响给予剔除。结构振动对风特性测试结果影响的理论分析模型如下：设测试的风速为V，测试的加速度为A，修正后的风速为W，则可利用下述公式对测试结果进行修正：

                           (1)

式中，

为通过实验测定的系数。其中利用风速仪测试风特性参数，包括风速和风向；同时利用高精度三向加速度传感器9测试风速仪固定点的振动加速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1. 一种高精度风速测试支架，包括支架部分和振动测试部分，其特征在于：所述支架部分包括水平放置的水平主杆（1）、竖直主杆（2）、水平左拉杆（3）、水平右拉杆（4）、竖直撑杆（5）、竖直拉杆（6）、照明设备（8）和三向加速度传感器（9）；所述振动测试部分包括三向加速度传感器（9）和水平钢板（7）两个部分，其中，

水平主杆（1）左端固定于被测结构物表面，右端凸出于被测结构物表面；

竖直主杆（2）的下端垂直固定于水平主杆（1）右端，竖直主杆（2）上端用于安装风速仪，且竖直主杆（2）与水平主杆（1）处于同一竖直平面内；

水平左拉杆（3）和水平右拉杆（4）的一端分别固定于水平主杆（1）右端，水平左拉杆（3）和水平右拉杆（4）的另一端分别固定于被测结构物表面，且水平左拉杆（3）、水平右拉杆（4）与水平主杆（1）处于同一水平面内；

竖直撑杆（5）和竖直拉杆（6）的一端分别固定于水平主杆（1）右端，竖直撑杆（5）和竖直拉杆（6）的另一端分别固定于被测结构物表面，且竖直撑杆（5）、竖直拉杆（6）、水平主杆（1）与竖直主杆（2）处于同一竖直平面内，竖直主杆（2）上端用于安装风速仪；

水平钢板（7）焊接于水平主杆（1）上表面靠近左侧端部位置；

三向加速度传感器（9）固定于水平钢板（7）上表面；水平主杆（1）左端下侧安装照明设备（8）。

2. 根据权利要求1所述的风速测试支架，其特征在于：水平钢板（7）的面积与速度传感器（9）的底座面积相同。

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