CN101736687A - 一种用于提高钢桁梁悬索桥颤振稳定性的气动控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于提高钢桁梁悬索桥颤振稳定性的气动控制装置，涉及桥梁技术，该装置为桥面板中央开槽与气动翼板的组合，开槽宽度为钢桁梁宽度1/100～1/10；两气动翼板对称安装在钢桁梁两侧，沿桥梁纵向连续布置，布置总长度为主跨跨中区域跨度的1/2～1倍，沿桥梁竖向采用单层、双层或多层布置形式；气动翼板，其宽度为钢桁梁宽度1/30～1/10；气动翼板中心到桥梁中心纵轴线水平距离为钢桁梁宽度1/3～1/2，到钢桁梁底部垂直距离为钢桁架高度1/4～1/2；气动翼板的横断面为椭圆型，或带圆端或三角形风嘴的平板型。本发明来改变钢桁梁的空气绕流特性，显著提高了钢桁梁悬索桥的颤振稳定性，结构简单、安装方便和经济性能好。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，是一种用于提高钢桁梁悬索桥颤振稳定性的桥面板中央开槽与气动翼板的组合气动控制装置。
背景技术
钢桁梁是大跨悬索桥一种常见的加劲梁形式。当大跨钢桁梁悬索桥桥位处的风速较高时，大桥的颤振稳定性常常不能满足抗风设计要求。为经济性起见，通常需要采取一些气动控制措施来提高桥梁的颤振稳定性。目前，一些气动措施已经在钢桁梁悬索桥中得到了应用，包括：桥面中央开槽、中央稳定板，等等。
试验结果显示桥面中央开槽对桥梁的颤振稳定性影响很大，开槽的颤振控制效果与开槽宽度有关。但是，目前对桥面中央开槽研究还不够***，开槽宽度与桥梁颤振临界风速的具体关系还值得探讨。日本的大鸣门大桥和明石海峡大桥等在钢桁梁上安装了中央稳定板，提高了大桥的颤振临界风速。最近，我国修建的沪蓉西四渡河大桥和贵州北盘江大桥也采取了中央稳定板的气动措施。但是，中央稳定板的控制效果与其高度有很大关系，且设置中央稳定板后增大了桥梁的阻力系数。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于提高钢桁梁悬索桥颤振稳定性的气动控制装置，能够有效提高钢桁梁悬索桥的颤振稳定性。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种用于提高钢桁梁悬索桥颤振稳定性的气动控制装置，是在桥面板中央开槽1，中央开槽1沿纵桥向全桥连续布置，将桥面板3分为左、右两幅；其特征在于：在钢桁架4上还设有气动翼板2；其中，中央开槽1宽度为钢桁梁宽度的1/100～1/10倍；两气动翼板2水平设置，通过立柱5和纵梁6对称安装在钢桁架4的两侧内部，沿桥梁纵向连续布置在桥梁主跨跨中区域，布置总长度为桥梁主跨跨中区域跨度的1/2～1倍，沿桥梁竖向布置方式为单层、双层或多层。
所述的气动控制装置，其所述气动翼板2采用密度小而刚性大的合金或复合材料制成；气动翼板2由多数个节段拼装而成一整体，成形的气动翼板2两端为封口；每个气动翼板节段长度为钢桁梁节段长度的1/5～1倍，气动翼板2的宽度为钢桁梁宽度的1/30～1/10倍；每个气动翼板节段通过栓接、铆接或焊接固定在立柱5上部，立柱5下端通过栓接或焊接固定在纵梁6上，纵梁6两端通过栓接或焊接固定在钢桁架4两侧内部。
所述的气动控制装置，其所述气动翼板2中轴线到桥梁中心纵轴线的水平距离为钢桁梁宽度的1/3～1/2倍，到钢桁梁底部的垂直距离为钢桁架高度的1/4～1/2倍。
所述的气动控制装置，其所述气动翼板2沿桥梁竖向为单层、双层或多层，双层或多层气动翼板是在立柱5上部上下均匀间隔设置，双层或多层气动翼板上下之间的垂直距离为气动翼板宽度的1/2～1倍。
所述的气动控制装置，其所述气动翼板2的横断面外形为椭圆型，或带圆端或带三角形风嘴的平板型，其长轴水平设置。
所述的气动控制装置，其所述每个气动翼板节段通过栓接、铆接或焊接固定在至少两根立柱5上，立柱5均匀分布于气动翼板节段的下表面中轴线上，立柱5的间距为钢桁架节段长度的1/5～1倍；每个立柱5下端通过栓接或焊接固定在纵梁6上，每段纵梁6的长度为钢桁梁节段长度的1～2倍。
本发明针对现有钢桁梁悬索桥颤振控制措施中存在的一些不足，首先通过在桥面板设置中央开槽来提高颤振稳定性，研究了不同桥面中央开槽宽度的颤振控制效果。为了进一步提高桥梁的颤振临界风速，在钢桁梁上安装了一种新型气动措施——气动翼板。气动翼板几乎不会增加钢桁梁的阻力系数，而且其结构简单、自重很轻，安装及检查维护方便，且经济性能好。
附图说明
图1本发明桥面板中央开槽示意图；
图2本发明气动翼板沿桥梁纵向连续布置示意图；
图3本发明气动翼板与立柱、纵梁和钢桁架之间相互关系示意图；
图4本发明单层气动翼板和桥面板中央开槽组合气动控制装置示意图；
图5本发明双层气动翼板和桥面板中央开槽组合气动控制装置示意图；
图6本发明椭圆型的气动翼板节段示意图；
图7本发明带圆端平板型的气动翼板节段示意图；
图8本发明带风嘴平板型的气动翼板节段示意图。
附图中标记：
桥面板中央开槽1；气动翼板2；桥面板3；钢桁架4；立柱5；纵梁6；桥梁主跨跨度L；气动翼板沿桥梁纵向连续布置长度L1；钢桁梁宽度B；钢桁架高度H；钢桁架节段长度C；桥面板中央开槽宽度d；气动翼板宽度b；气动翼板中轴线到钢桁梁底部的垂直距离h；双层气动翼板上下之间的垂直距离h1；气动翼板中轴线到桥梁中心纵轴线的水平距离e；气动翼板节段的长度l；立柱间距c；每段纵梁长度f。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的描述。
本发明为了提高钢桁梁悬索桥的颤振稳定性，将桥面板3设置中央开槽1(如图1所示)，中央开槽1沿纵桥向全桥连续布置，中央开槽1宽度为：d＝1/100～1/10钢桁梁宽度(B)。同时，在钢桁架4的两侧内部对称安装两根气动翼板2，气动翼板2水平设置，通过立柱5和纵梁6与钢桁架4固定连接，气动翼板2沿桥梁纵向连续布置在桥梁主跨跨中区域(如图2所示)，布置长度为：L1＝1/2～1悬索桥主跨跨度(L)。气动翼板2由多数个节段拼装而成一整体，每个气动翼板节段长度为：l＝1/5～1钢桁架节段长度(C)。每个气动翼板节段通过栓接、铆接或焊接固定的至少两根立柱(如图3所示)，均匀分布于气动翼板节段的中轴线上，立柱的间距为：c＝1/5～1钢桁架节段长度(C)；每个立柱5下端通过栓接或焊接固定的纵梁，每段纵梁6的长度为：f＝1～2钢桁架节段长度(C)；纵梁6两端通过栓接或焊接固定在钢桁架4两侧内部。气动翼板2在桥梁横断面沿桥梁竖向的布置方式可采用单层(如图4所示)、双层(如图5所示)或多层，双层或多层气动翼板2上下之间的垂直距离为：h1＝1/2～1气动翼板宽度(b)。气动翼板2的横断面外形可为椭圆型(如图6)、带圆端的平板型(如图7)或带三角形风嘴的平板型(如图8)，其长轴水平设置。气动翼板2的宽度为：b＝1/30～1/10钢桁梁宽度(B)，气动翼板2采用密度小而刚性大的复合材料制成。气动翼板2中轴线到桥梁中心纵轴线的水平距离为：e＝1/3～1/2钢桁梁宽度(B)，到钢桁梁底部的垂直距离为：h＝1/4～1/2钢桁架高度(H)。
本发明是一种用于提高钢桁梁悬索桥颤振稳定性的气动控制装置，这种措施是从大量试验中比选获得的成果。根据节段模型风洞试验，采用不同中央开槽宽度的钢桁梁颤振临界风速如表1所示。从表1中可以发现：当中央开槽宽度达到一定值时，钢桁梁的颤振临界风速达到最大值，中央开槽存在一个最优宽度。为了进一步提高钢桁梁的颤振稳定性，可以在中央开槽钢桁梁的基础上增设气动翼板。表2列出了采用中央开槽和气动翼板组合气动控制装置的钢桁梁颤振临界风速试验结果，其中：桥面板中央开槽宽度为d/B＝0.2，气动翼板位置为h/H＝0.48，e/B＝0.4。从表2中可以发现，安装单层气动翼板和双层气动翼板都可以有效地提高钢桁梁的颤振稳定性。
表1不同桥面板中央开槽宽度的钢桁梁悬索桥颤振临界风速(单位：m/s)
表2采用中央开槽和气动翼板组合气动措施的钢桁梁悬索桥颤振临界风速(单位：m/s)
本发明通过在桥面板中央进行开槽，使得桥面板上、下的气流能够发生相互干扰，在开槽部位产生交替脱落的漩涡，从而对钢桁梁形成了正负交替变化的附加升力。这种正负交替的附加升力改变了钢桁梁竖向自由度的参与程度，从而改变了桥梁结构竖弯和扭转运动的耦合效应。当开槽断面在颤振发生过程中扭转和竖向自由度耦合程度提高时，颤振临界风速将提高。同时，由于在钢桁梁上安装了气动翼板，气动翼板在气流作用下产生的气动力与钢桁梁自身受到的气动力之间存在相位差，这两种存在相位差的气动力叠加后可以部分抵消，从而进一步提高了钢桁梁悬索桥的颤振稳定性。
Claims (6)
1.一种用于提高钢桁梁悬索桥颤振稳定性的气动控制装置，是在桥面板中央开槽(1)，中央开槽(1)沿纵桥向全桥连续布置，将桥面板(3)分为左、右两幅；其特征在于：在钢桁架(4)上还设有气动翼板(2)；其中，中央开槽(1)宽度为钢桁梁宽度的1/100～1/10倍；两气动翼板(2)水平设置，通过立柱(5)和纵梁(6)对称安装在钢桁架(4)的两侧内部，沿桥梁纵向连续布置在桥梁主跨跨中区域，布置总长度为桥梁主跨跨中区域跨度的1/2～1倍，沿桥梁竖向布置方式为单层、双层或多层。
2.根据权利要求1所述的气动控制装置，其特征在于：所述气动翼板(2)采用密度小而刚性大的合金或复合材料制成；气动翼板(2)由多数个节段拼装而成一整体，成形的气动翼板(2)两端为封口；每个气动翼板节段长度为钢桁梁节段长度的1/5～1倍，气动翼板(2)的宽度为钢桁梁宽度的1/30～1/10倍；每个气动翼板节段通过栓接、铆接或焊接固定在立柱(5)上部，立柱(5)下端通过栓接或焊接固定在纵梁(6)上，纵梁(6)两端通过栓接或焊接固定在钢桁架(4)两侧内部。
3.根据权利要求1所述的气动控制装置，其特征在于：所述气动翼板(2)中轴线到桥梁中心纵轴线的水平距离为钢桁梁宽度的1/3～1/2倍，到钢桁梁底部的垂直距离为钢桁架高度的1/4～1/2倍。
4.根据权利要求1所述的气动控制装置，其特征在于：所述气动翼板(2)沿桥梁竖向为单层、双层或多层，双层或多层气动翼板是在立柱(5)上部上下均匀间隔设置，双层或多层气动翼板上下之间的垂直距离为气动翼板宽度的1/2～1倍。
5.根据权利要求1和2所述的气动控制装置，其特征在于：所述气动翼板(2)的横断面外形为椭圆型，或带圆端或带三角形风嘴的平板型，其长轴水平设置。
6.根据权利要求1和2所述的气动控制装置，其特征在于：所述每个气动翼板节段通过栓接、铆接或焊接固定在至少两根立柱(5)上，立柱(5)均匀分布于气动翼板节段的下表面中轴线上，立柱(5)的间距为钢桁架节段长度的1/5～1倍；每个立柱(5)下端通过栓接或焊接固定在纵梁(6)上，每段纵梁(6)的长度为钢桁梁节段长度的1～2倍。
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