提升大跨度橋梁風振性能的結構及方法
2024-04-14 19:17:05 8
1.本發明涉及橋梁工程技術領域，尤其是涉及一種提升大跨度橋梁風振性能的結構及方法。
背景技術：
2.目前橋梁大跨度化已逐漸成為趨勢，但由於大跨度橋梁的主梁具有結構柔、阻尼小、自重輕的特點，導致大跨度橋梁在外荷載作用下結構響應幅度較大、對風荷載十分敏感，從而出現不可忽視的風致振動問題，其中顫振和渦振最具代表性，顫振是一種可能發散的自激振動，其具有對橋梁結構造成嚴重破壞的可能性；渦振是一種限幅振動，雖不至於造成橋毀的嚴重事故，但其往往在較低風速下便會發生，容易對行車安全及舒適造成不利影響，甚至使橋梁出現結構疲勞破壞，因此顫振、渦振等風振問題的控制需要得到廣泛重視。
3.工程中常見的風致振動的控制措施主要有機械控制措施和氣動控制措施，其中，機械控制措施例如採用可調質量阻尼器(tmd)，可調質量阻尼器雖有較好的減振效果，但具有造價高以及體型受梁高限制的缺點，因而，一般認為相同情況下，應優先考慮抑振機理更加積極的氣動控制措施，常見的氣動控制措施有導流板、抑流板、中央穩定板、中央開槽和風嘴等，這些氣動控制措施通常固定在橋梁結構上，可稱為被動氣動控制，其因造價低、魯棒性強而得到廣泛使用。
4.但是目前採用傳統被動氣動措施的大跨度橋梁仍然具有以下技術問題：
5.1.大跨度橋梁所處風環境十分複雜，傳統被動氣動措施一經風洞試驗確定，其布置就難以調整，因此只能在一定風攻角和較低風速範圍內起作用，面對複雜風環境時，魯棒性和普適性較弱，故應用有限。
6.2.由於大跨度橋梁結構風振性能對氣動外形的敏感性，使得一種被動氣動措施在提高某一風振性能的同時，可能會降低其他風振性能。
7.3.為滿足大跨度橋梁正常使用的需求，橋梁附屬設施如欄杆(包括檢修軌道欄杆和防撞欄杆等)的布置會進一步鈍化橋面外形，從而降低橋梁風振性能(試驗證明欄杆處氣流分離、旋渦脫落現象嚴重)。
8.公開於該背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發明總體背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成本領域技術人員所公知的現有技術。
技術實現要素：
9.針對上述情況，本發明提供一種提升大跨度橋梁風振性能的結構，旨在解決上述背景技術中提出的技術問題。
10.為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
11.第一方面，本發明提供一種提升大跨度橋梁風振性能的結構，其主要可以包括：
12.立柱；
13.欄杆，安裝於立柱；及
14.主動吹吸氣結構，包括吸氣口、吹氣口、吸氣管道、吹氣管道、來流監測裝置和動力控制裝置；
15.吸氣口和吸氣管道相互連通，吹氣口和吹氣管道相互連通；
16.來流監測裝置用於監測欄杆處來流的風速和風向；
17.動力控制裝置能夠根據來流監測裝置所確定的風速和風向，控制吸氣口主動吸氣、吹氣口主動吹氣，並能夠調節吹吸力的大小；
18.其中：
19.吸氣口和吹氣口分別開設在欄杆的迎風側和背風側；
20.吸氣管道和吹氣管道不連通，並均設於欄杆內。
21.在本發明的一些實施例中，在欄杆的長度方向上，分布有多個主動吹吸氣結構。
22.在本發明的一些實施例中，多個吸氣口和吹氣口均勻分布在欄杆上。
23.在本發明的一些實施例中，吸氣管道和所述吹氣管道均設於欄杆內。
24.第二方面，本發明提供一種提升大跨度橋梁風振性能的結構，其主要可以包括：
25.立柱；
26.欄杆，安裝於立柱；及
27.主動吹吸氣結構，包括吸氣口、吹氣口、吸氣管道、吹氣管道、主梁振動響應監測裝置和動力控制裝置；
28.吸氣口和吸氣管道相互連通，吹氣口和吹氣管道相互連通；
29.主梁振動響應監測裝置用於監測主梁振動響應情況；
30.動力控制裝置能夠根據主梁振動響應監測裝置所監測到的主梁振動響應情況，控制吸氣口主動吸氣、吹氣口主動吹氣，並能夠調節吹吸力的大小；
31.其中：
32.吸氣口和吹氣口分布在欄杆的迎風側和背風側；
33.吸氣管道和吹氣管道不連通，並均設於欄杆內。
34.在本發明的一些實施例中，在欄杆的長度方向上，分布有多個主動吹吸氣結構。
35.在本發明的一些實施例中，多個吸氣口和吹氣口均勻分布在欄杆上。
36.在本發明的一些實施例中，吸氣管道和所述吹氣管道均設於欄杆內。
37.第三方面，本發明提供一種提升大跨度橋梁風振性能的方法，其主要可以包括如下步驟：
38.s1：監測來流風速和風向或者監測主梁振動響應情況；
39.s2：當監測得到的來流風速達到渦振或顫振風速時，通過動力控制裝置使欄杆迎風側的吸氣口主動吸氣、欄杆背風側的吹氣口主動吹氣；
40.或者，
41.當監測得到的主梁振動響應情況達到渦振或表現顫振發生趨勢時，通過動力控制裝置使欄杆迎風側的吸氣口主動吸氣、欄杆背風側的吹氣口主動吹氣。
42.在本發明的一些實施例中，吸氣口主動吸氣和吹氣口主動吹氣力度的大小，隨著監測得到的來流風速的增大而增大。
43.與現有技術相比，本發明實施例至少具有如下優點或有益效果：
44.1.本發明採用主動氣動控制措施，可根據來流風速風向，實時地調整主動吹吸氣
結構是否進行吹吸；當吸氣口吸氣且吹氣口吹氣時，能夠在欄杆處形成三維展向擾動，破壞在顫振或渦振過程中該處形成的渦脫結構，從而有效地提高橋梁風致振動穩定性。
45.2.本發明採用主動氣動控制措施，抑振機理更加積極主動，能適應各種風環境下的抑振任務，對橋梁風致振動的控制效果也更加顯著。
46.3.在欄杆上開孔(吸氣口和吹氣口)對大跨度橋梁氣動外形的影響最小，因而不易出現抑制一種振動的同時又放大另一種振動響應的情況；即使是在主動吹吸氣結構損壞失效或斷電等情況下，也不會因為其結構本身對橋梁氣動外形造成改變而影響風致振動穩定性。
47.4.與在主梁上開孔(吸氣口和吹氣口)進行主動吹吸氣的方案相比，在欄杆上開孔有以下好處：主動吹吸氣結構的安裝、維護、更換更加方便，可實現性更好；主動吹吸氣結構可跟隨欄杆的位置移動而靈活布置，以起到更好的抑振效果；由於，在欄杆處氣流分離、旋渦脫落現象嚴重，因此，在此處破壞顫振或渦振過程中形成的渦脫結構時，對吹吸力的利用率較高；若在主梁上開孔，則對主梁結構受力影響較大，而欄杆對受力性能要求不高，因此，更適合在欄杆上開孔。
48.本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。
附圖說明
49.為了更清楚地說明本技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本技術的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
50.圖1為主梁和提升大跨度橋梁風振性能的結構示意圖；
51.圖2為欄杆和立柱的結構示意圖；
52.圖3為吸氣口、吹氣口、吸氣管道和吹氣管道的結構示意圖；
53.圖4為實施例1提供的來流監測裝置和動力控制裝置的結構示意圖；
54.圖5為實施例2提供的主梁振動響應監測裝置和動力控制裝置的結構示意圖。
55.圖標：
56.1-立柱，
57.2-欄杆，21-迎風側，22-背風側，
58.31-吸氣口，32-吹氣口，33-吸氣管道，34-吹氣管道，351-來流監測裝置，352-主梁振動響應監測裝置，36-動力控制裝置，
59.4-主梁。
具體實施方式
60.在下文中，僅簡單地描述了某些示例性實施例。正如本領域技術人員可認識到的那樣，在不脫離本發明實施例的精神或範圍的情況下，可通過各種不同方式修改所描述的實施例。
61.在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語「長度」、「上」、「內」等指示的方位
或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明實施例的限制。
62.此外，術語「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
63.在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。
64.下面結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。
65.實施例1
66.請參照圖1-圖4，圖4中箭頭所示方向為氣流方向；第一方面，本實施例提供一種提升大跨度橋梁風振性能的結構，其主要可以包括：立柱1、欄杆2和主動吹吸氣結構。
67.欄杆2和立柱1是大跨度橋梁的附屬設施，欄杆2安裝於立柱1，立柱1安裝在主梁4的上側邊緣處。
68.主動吹吸氣結構主要可以包括吸氣口31、吹氣口32、吸氣管道33、吹氣管道34、來流監測裝置351和動力控制裝置36；在欄杆2的長度方向上，可以分布有多個主動吹吸氣結構，或者說，可以沿主梁4的長度方向，將主梁4劃分為多個橋段，每個橋段上的欄杆2上均可以單獨地設置一個主動吹吸氣結構，以使各個主動吹吸氣結構可以單獨工作或相互配合，從而提高抑振效果。
69.吸氣口31和吸氣管道33相互連通，吹氣口32和吹氣管道34相互連通；吸氣口31和吹氣口32分別開設在欄杆2的迎風側21和背風側22，多個吸氣口31和吹氣口32均勻分布在欄杆2上；吸氣管道33和吹氣管道34不連通，二者獨立發揮作用；在一個具體的實施場景中，吸氣管道33和吹氣管道34均設於欄杆2內，也就是說，將欄杆2本身作為管道，主動吹吸氣結構便無需為吸氣管道33和吹氣管道34的設置而額外配置管道；在額外配置管道時，為了儘可能降低對大跨度橋梁氣動外形的影響，需要隱藏額外配置的管道，這雖然實現起來並不困難，但相對而言更麻煩。
70.來流監測裝置351用於實時監測欄杆2處來流的風速和風向。
71.動力控制裝置36能夠根據來流監測裝置351所確定的風速和風向，控制吸氣口31主動吸氣、吹氣口32主動吹氣，並能夠調節吹吸力的大小。
72.本實施例採用主動氣動控制措施，具體而言，有風時，可根據來流的風速風向，實時地調整主動吹吸氣結構是否進行吹吸以及吹吸力的大小；當吸氣口31吸氣且吹氣口32吹氣時，能夠在欄杆2處形成三維展向(欄杆2的長度方向)擾動，破壞在顫振或渦振過程中該處形成的渦脫結構，從而有效地提高橋梁風致振動穩定性；無風時，吸氣口31和吹氣口32不工作，不影響大跨度橋梁的氣動性能。
73.可以理解的是，在開設吸氣口31和吹氣口32後，二者在欄杆2上的位置是不變的，上述欄杆2的迎風側21和背風側22是相對的兩個概念，這是因為風向是在不斷變化的，當風向改變後，欄杆2的迎風側21和背風側22也可能會改變，因此欄杆2的迎風側21和背風側22並不是指欄杆2固定的兩個側面；同理，吸氣口31和吹氣口32也是相對的兩個概念，也就是
說，當欄杆2的一側迎風時，該側即為迎風側21，迎風側21上的孔為吸氣口31，欄杆2的另一側便為背風側22，背風側22上的孔為吹氣口32。
74.第二方面，本實施例提供一種提升大跨度橋梁風振性能的方法，其應用了本實施例提供的提升大跨度橋梁風振性能的結構，該方法主要可以包括如下步驟：
75.s1：通過來流監測裝置351監測來流風速和風向或者監測主梁4振動響應情況；
76.s2：當監測得到的來流風速達到渦振或顫振風速時，通過動力控制裝置36使欄杆2迎風側21的吸氣口31主動吸氣、欄杆2背風側22的吹氣口32主動吹氣，並且吸氣口31主動吸氣和吹氣口32主動吹氣力度的大小，可隨著監測得到的來流風速的增大而增大。
77.實施例2
78.請參照圖1、圖2、圖3和圖5，第一方面，本實施例提供一種提升大跨度橋梁風振性能的結構，其主要可以包括：立柱1、欄杆2和主動吹吸氣結構。
79.欄杆2和立柱1是大跨度橋梁的附屬設施，欄杆2安裝於立柱1，立柱1安裝在主梁4的上側邊緣處。
80.主動吹吸氣結構主要可以包括吸氣口31、吹氣口32、吸氣管道33、吹氣管道34、來流監測裝置351和動力控制裝置36；在欄杆2的長度方向上，可以分布有多個主動吹吸氣結構，或者說，可以沿主梁4的長度方向，將主梁4劃分為多個橋段，每個橋段上的欄杆2上均可以單獨地設置一個主動吹吸氣結構，以使各個主動吹吸氣結構可以單獨工作或相互配合，從而提高抑振效果。
81.吸氣口31和吸氣管道33相互連通，吹氣口32和吹氣管道34相互連通；吸氣口31和吹氣口32分別開設在欄杆2的迎風側21和背風側22，多個吸氣口31和吹氣口32均勻分布在欄杆2上；吸氣管道33和吹氣管道34不連通，二者獨立發揮作用；在一個具體的實施場景中，吸氣管道33和吹氣管道34均設於欄杆2內，也就是說，將欄杆2本身作為管道，主動吹吸氣結構便無需為吸氣管道33和吹氣管道34的設置而額外配置管道；在額外配置管道時，為了儘可能降低對大跨度橋梁氣動外形的影響，需要隱藏額外配置的管道，這雖然實現起來並不困難，但相對而言更麻煩。
82.主梁振動響應監測裝置352用於實時監測主梁4振動響應情況。
83.動力控制裝置36能夠根據主梁振動響應監測裝置352所監測到的主梁4振動響應情況，控制吸氣口31主動吸氣、吹氣口32主動吹氣，並能夠調節吹吸力的大小。
84.本實施例採用主動氣動控制措施，具體而言，可根據主梁4振動響應情況，實時地調整主動吹吸氣結構是否進行吹吸以及吹吸力的大小；當吸氣口31吸氣且吹氣口32吹氣時，能夠在欄杆2處形成三維展向(欄杆2的長度方向)擾動，破壞在顫振或渦振過程中該處形成的渦脫結構，從而有效地提高橋梁風致振動穩定性。
85.可以理解的是，在開設吸氣口31和吹氣口32後，二者在欄杆2上的位置是不變的，上述欄杆2的迎風側21和背風側22是相對的兩個概念，這是因為風向是在不斷變化的，當風向改變後，欄杆2的迎風側21和背風側22也可能會改變，因此欄杆2的迎風側21和背風側22並不是指欄杆2固定的兩個側面；同理，吸氣口31和吹氣口32也是相對的兩個概念，也就是說，當欄杆2的一側迎風時，該側即為迎風側21，迎風側21上的孔為吸氣口31，欄杆2的另一側便為背風側22，背風側22上的孔為吹氣口32。
86.第二方面，本實施例提供一種提升大跨度橋梁風振性能的方法，其應用了本實施
例提供的提升大跨度橋梁風振性能的結構，該方法主要可以包括如下步驟：
87.s1：通過主梁振動響應監測裝置352監測來流風速和風向或者監測主梁4振動響應情況；
88.s2：當監測得到的主梁4振動響應情況達到渦振或表現顫振發生趨勢時，通過動力控制裝置36使欄杆2迎風側21的吸氣口31主動吸氣、欄杆2背風側22的吹氣口32主動吹氣。
89.最後應說明的是：以上僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化，在不衝突的情況下，本技術的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。