CN108643019A - 一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置及其控制方法，所述桥梁主梁包括两个沿中线对称的带外侧风嘴的多边形箱梁，所述控制装置包括可伸缩和转动的上下盖板和位于所述箱梁内部的动力装置，所述上下盖板安装在所述分体式箱梁相对面的内侧，所述上下盖板能相对于所述多边形箱梁伸缩和转动。解决了目前现有分体式桥梁结构中存在的不能同时控制颤振和涡振的技术问题，利用可伸缩盖板，可以根据来流风的特性进行调整，这种调整同时保证了大跨度桥梁的颤振稳定性和涡振性能。

Description

一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及桥梁技术领域，具体来说，涉及一种能够提高分体式箱梁颤振与涡振稳定性的一体化控制装置及其控制方法。
背景技术
1940年，美国塔科马大桥(Tacoma Narrows Bridge)在微风时(8级风，风速约为19m/s)发生了此前从未见过的扭转振动，即桥面两侧周期性的交替高低起伏变化。随着跨中一侧主缆与吊杆连接处索夹的松弛，突然大桥主跨的半跨路面一侧被掀起来，引起侧向激烈的扭动，另半跨随后也跟着扭动。之后，振动幅度不断增大，最大扭转振幅达到约35°后，吊索被逐根拉断，最终桥面坍塌。事件发生后，很多世界著名学者对事故原因进行了分析研究，并取得广泛共识，将塔科马大桥的坍塌归结于由风引起的负阻尼驱动的分离流扭转颤振。自此之后，大跨桥梁的颤振控制研究成为所有桥梁设计者最为关心的问题之一。
桥梁颤振是一种毁坏性的自激发散振动，表现为流场与结构之间的相互作用，引起扭转振幅不断增大，直至风毁。主要是由于振动结构能够在流动的空气中不断吸收能量，而该能量又大于结构阻尼在振动中所耗散的能量。当气流经过流线型断面时，气流的流动速度主要影响或改变了流线型断面扭转和弯曲自由度之间的振幅以及相位关系，从而引起不同自由度之间的耦合振动和气动负阻尼，导致扭弯耦合颤振。当气流绕过钝体断面时，气流的流动速度主要影响或改变了钝体断面扭转自由度运动的振幅以及相位，从而引起扭转振动和气动负阻尼，导致扭转颤振。对于实际桥梁断面，均介于流线型和钝体之间，由于弯曲自由度的参与程度不同，颤振形态介于扭转颤振和耦合颤振之间。
涡激振动是大跨度桥梁在低风速易发的具有强迫和自激双重性质的非破坏性自限幅风致振动现象。日本东京湾通道桥(Trans-Tokyo Bay Bridge)、巴西里约尼泰罗伊大桥(Rio-Niteroi Bridge)和丹麦的大带桥(Great East Belt Bridge)都曾发生过严重的竖弯涡振。西堠门大桥在低紊流条件下，在风速区间为9m/s～11m/s的正交风作用下，也发生了明显的竖向涡振现象。尽管涡激振动不会像颤振或驰振那样导致发散，但由于是低风速下常易发生的振动，且振幅之大足以影响行车安全，甚至可能诱发拉索参数共振等其他类型致命的气动不稳定问题。
对于大跨度桥梁的颤振稳定性和涡振性能，我国《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01-2004)明确规定：在桥梁设计的使用年限内，在桥位所在区域可能出现的最大风速下，结构不应发生毁坏性的自激发散振动。结构非破坏性风致振动的振幅应满足行车安全、结构疲劳和行车舒适度的要求。对于抗风能力不能满足规范要求的桥梁结构，规范还规定：结构的抗风能力可通过气动措施、结构措施和机械措施予以提高。
分体式箱梁结构一般由两个沿中线对称的带风嘴的多边形箱形结构组成，两个多边形箱形结构之间存在间距，两个多边形箱形结构通过横向结构连接。分体式箱梁结构是一种重要的缆索承重桥梁颤振控制措施，并得到了广泛应用，中国西堠门大桥(中国第一跨，主跨1650m)、香港的昂船洲大桥(主跨1018m)和青马大桥(主跨1377m)就是采用这种断面形式。虽然这种形式的箱梁断面具有较好的颤振稳定性，但由于两个箱梁间空隙的存在，使得箱梁周围的流场结构异常复杂，旋涡脱落特性显著增强，从而加剧了主梁涡激振动。
目前，对于分体箱梁结构主梁断面涡激振动控制措施大致分为两种：其一是固定气动措施，通过改变主梁的气动外形改变其所承受的风荷载，可应用于大跨度桥梁的附加构件形式的气动措施通常包括：纵向格栅、改变槽宽、导流板。如图1所示的一种控制分体式箱梁涡激振动的格栅结构(公开号为CN201534954U)，在分体式钢箱梁的中央开槽顶部设置格栅结构1，格栅结构1包括焊接在一起的格栅2和格栅支架3，通过该格栅结构抑制空气流过分体式钢箱梁时产生的涡旋，控制涡激振动。然而，尽管该措施可有效控制涡振，但可能会对分体式箱梁的颤振性能产生不利影响；另外一种为TMD，TMD的工作原理是通过调节TMD自身的质量、刚度和阻尼***将结构振动的能量传递到TMD上，从而达到减弱结构振动的目的。Fujino针对东京湾大桥出现的涡激振动，开发了一种用于控制箱梁竖向涡振的TMD控制装置，该控制装置安装于实桥后取得了良好的控制效果。但对于大跨度悬索桥梁而言，经常发生不同模态下的涡激振动，而TMD一般只能控制某一阶振型的响应，这一特征将严重限制TMD在大跨度悬索桥梁涡振控制中的运用。此外TMD自身质量较重，这无疑会极大增加桥梁竖向荷载。目前，运用于桥梁涡振控制的措施一般都是永久性的，不具有可控性，很难做到在各种情况下均能提高桥梁的涡振性能，普适性较差，这主要是由于附加措施在桥梁上的相对位置是固定的，不能根据来流风特性实时反馈调整，适应性差。此外，用于抑制涡振的气动措施可能会对结构颤振性能产生不利影响。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置及其控制方法，解决了目前现有分体式桥梁结构中存在的上述技术问题，利用可伸缩盖板，可以根据来流风的特性进行调整，这种调整同时保证了大跨度桥梁的颤振稳定性和涡振性能。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置，所述桥梁包括两个沿中线对称的带外侧风嘴的多边形箱梁，所述控制装置包括可伸缩或转动的上下盖板和位于所述箱梁内部的动力装置，所述上下盖板安装在所述分体式箱梁相对面的内侧，所述上下盖板能相对于所述多边形箱梁伸缩或转动。
进一步的，所述动力装置带动所述上下盖板伸缩和转动。
进一步的，所述多边形箱梁内部设置滑槽，所述上下盖板伸缩设置在所述滑槽内。
进一步的，所述上下盖板根据风力情况，伸缩不同的长度，最大长度为完全封闭所述分体式箱梁，使所述箱梁成为一体。
进一步的，还包括一种使用该桥梁颤振与涡振一体化控制装置的控制方法，该方法包括：1、通常情况下，所述动力装置不工作，所述上下盖板收回在所述滑槽内；2、当风速仪监测到来流风进入涡振锁定区间时，通过所述动力装置带动所述上盖板和下盖板移动，使所述分体式箱梁合体成为整体箱梁。
进一步的，所述根据来风的不同，可以控制所述上下盖板处于不同的伸缩长度，使所述箱梁处于半封闭状态。
(三)有益效果
本发明所提出的可伸缩盖板可以根据来流风的特性进行调整，这种调整同时保证了大跨度桥梁的颤振稳定性和涡振性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中提高桥梁涡振稳定性的一种结构示意图；
图2是根据本发明实施例的桥梁颤振与涡振一体化控制装置的上下盖板半封闭状态；
图3是根据本发明实施例的桥梁颤振与涡振一体化控制装置的上下盖板全封闭状态；
图4是根据本发明实施例的桥梁颤振与涡振一体化控制装置的上盖板全封闭，下盖板敞开状态；
图5是根据本发明实施例的桥梁颤振与涡振一体化控制装置的上盖板敞开，下盖板全封闭状态；
图6是根据本发明实施例的桥梁颤振与涡振一体化控制装置的上下盖板全敞开状态。
图中：1格栅结构、2格栅、3格栅支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2-6是设置有上下盖板的分体式箱梁不同状态图，所述桥梁包括两个沿中线对称的带外侧风嘴的多边形箱梁，所述控制装置包括可伸缩或转动的上下盖板和位于所述箱梁内部的动力装置，所述上下盖板安装在所述分体式箱梁相对面的内侧，所述上下盖板能相对于所述多边形箱梁伸缩或转动；所述动力装置带动所述上下盖板伸缩或转动；所述多边形箱梁内部设置滑槽，所述上下盖板伸缩设置在所述滑槽内；所述上下盖板根据风力情况，伸缩不同的长度，最大长度为完全封闭所述分体式箱梁，使所述箱梁成为一体。
进一步的，还包括一种使用该桥梁颤振与涡振一体化控制装置的控制方法，该方法包括：1、通常情况下，所述动力装置不工作，所述上下盖板收回在所述滑槽内；2、当风速仪监测到来流风进入涡振锁定区间时，通过所述动力装置带动所述上盖板和下盖板移动，使所述分体式箱梁合体成为整体箱梁。
进一步的，所述根据来风的不同，可以控制所述上下盖板处于不同的伸缩长度，使所述箱梁处于半封闭状态。
示例模型主体箱梁宽度48.78cm，高度5.04cm，上下盖板最大伸长量可封闭上下表面。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置，其特征在于：所述桥梁包括两个沿中线对称的带外侧风嘴的多边形箱梁，所述控制装置包括可伸缩和转动的上下盖板及位于所述箱梁内部的动力装置，所述上下盖板安装在所述分体式箱梁相对面的内侧，所述上下盖板能相对于所述多边形箱梁伸缩或转动。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置，其特征在于：所述动力装置带动所述上下盖板伸缩或转动。
3.根据权利要求2所述的一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置，其特征在于：所述多边形箱梁内部设置滑槽，所述上下盖板伸缩设置在所述滑槽内。
4.根据权利要求1所述的一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置，其特征在于：所述上下盖板根据风力情况，伸缩不同的长度，最大长度为完全封闭所述分体式箱梁，使所述箱梁成为一体。
5.一种使用权利要求1-4任一所述的一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置的控制方法，该方法包括：1、通常情况下，所述动力装置不工作，所述上下盖板收回在所述滑槽内；2、当风速仪监测到来流风进入涡振锁定区间时，通过所述动力装置带动所述上盖板和下盖板移动，使所述分体式箱梁合体成为整体箱梁。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述根据来风的不同，可以控制所述上下盖板处于不同的伸缩长度，使所述箱梁处于半封闭或全封闭状态。
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