CN101899811B - 一种桥跨结构涡激振动的消减方法 - Google Patents

一种桥跨结构涡激振动的消减方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种桥跨结构涡激振动的消减方法。传统桥跨结构缺乏对涡激振动的消减。本发明方法是在桥跨结构的底面沿桥跨结构车流方向平行设置有长条形控制件；控制件的长度与桥跨结构的长度相同，控制件与桥跨结构底面之间的距离为桥跨结构横截面厚度的0.2倍至1.5倍之间；控制件到桥跨结构底面两侧边的水平距离之和为桥跨结构横截面宽度。本发明通过在桥跨结构底面下方安装控制件，来改变桥跨结构的尾流特性，抑制桥跨结构绕流产生的旋涡脱落，从而消减桥跨结构受到的涡激振动。

Description

一种桥跨结构涡激振动的消减方法
技术领域
本发明属于土木结构风工程技术领域，涉及一种桥跨结构涡激振动的消减方法。
背景技术
在桥梁结构中桥跨结构是直接承受车辆和其它荷载，并跨越各种障碍物(如河流、山谷等)的结构部分，作用是将其直接承受的车辆、行人等各种载荷传递给桥梁的下部结构，同时为交通提供路面和必要的安全措施，是桥梁结构最重要的组成部分之一。当具有一定速度的气流垂直于车流方向绕过桥跨结构时，会在桥跨结构下游侧面的上下、边缘交替产生漩涡脱落，与此同时，已脱落的漩涡向下游发展。漩涡的交替脱落将使得桥跨结构受到的风荷载按一定的频率变化。当来流速度达到一定程度时，漩涡的产生、脱落引起的振荡力会使桥跨结构发生振动，这种振动称涡激振动。长期的涡激振动将会造成桥跨结构的疲劳损伤，一旦振荡力的频率接近桥跨结构的固有频率时，便会产生共振，这对桥梁的安全性、使用性能和寿命都会造成严重危害。因此，桥跨结构的涡激振动问题具有广泛的工程应用背景，抑制桥跨结构的涡激振荡具有巨大的工程应用价值。从外形上来看，不同类型的桥梁其桥跨结构绝大多数可以用矩形板来简化，两者等价。流向桥跨结构受到的涡激振动与桥跨结构表面气流边界层的非定常分离、尾流中分离的边界层交替形成漩涡并脱落有关。如果气流绕过桥跨结构时在其尾流中形成漩涡脱落能得到有效抑制，则将显著消减桥跨结构受到的涡激振动，提高桥梁的安全性、使用性能和寿命。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种桥跨结构涡激振动的消减方法。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
在桥跨结构的底面沿桥跨结构车流方向平行设置有长条形控制件；控制件的长度与桥跨结构的长度相同，控制件与桥跨结构底面之间的距离为桥跨结构横截面厚度的0.2倍至1.5倍之间；控制件到桥跨结构底面两侧边的水平距离之和为桥跨结构横截面宽度；
所述的控制件横截面最宽边与桥跨结构的底面垂直；
所述的控制件横截面为矩形，其宽度为b、厚度为h，b∶h＝3～6∶1；
所述的控制件横截面宽度与桥跨结构横截面厚度比为0.1～0.3∶1；
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：针对气流中桥跨结构受到的涡激振动，通过在桥跨结构底面下方安装控制件，来改变桥跨结构的尾流特性，抑制桥跨结构绕流产生的旋涡脱落，从而消减桥跨结构受到的涡激振动。本方法具有良好的可行性，安装比桥跨结构尺寸要小得多的控制件，便可减小不同来流速度下桥跨结构的涡激振动，提高桥梁的安全性、使用功能及寿命。
附图说明
图1是桥跨结构安装控制件后的结构示意图；
图2是桥跨结构横截面与控制件横截面相对位置示意图；
图3(a)是应用本发明前桥跨结构尾流的流动显示照片；
图3(b)是应用本发明后桥跨结构尾流的流动显示照片；
图4是速度信号的频谱分析图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，在桥跨结构1的底面沿桥跨结构车流方向(即图中的单箭头指示方向)平行设置有长条形控制件3；控制件3由两个控制件支座2连接到桥跨结构的底面。
控制件的长度与桥跨结构的长度相同，控制件与桥跨结构底面之间的距离L为桥跨结构横截面厚度H的0.2倍至1.5倍，控制件到桥跨结构底面两侧边的水平距离之和为桥跨结构横截面宽度B，即控制件在桥跨结构底面的正下方。
本实施例中的控制件横截面为矩形，其宽度为b、厚度为h，b∶h＝3～6∶1；控制件横截面宽度b与桥跨结构横截面厚度H比为b∶H＝0.1～0.3∶1；控制件横截面宽边与桥跨结构的底面垂直；
为了验证本发明的效果，在实验时，由风洞提供均匀流场，桥跨结构模型水平放置于风洞的实验段，雷诺数为3.75×103。桥跨结构模型截面宽度为10cm、厚度为2.5cm；长条形条控制件截面的宽度为1cm、厚度为0.3cm。其位置设置可参见图3(b)。控制件与桥跨结构模型底面之间的距离为2.5cm。
桥跨结构横截面的宽边与来流平行。实验时，之所以这样布置是因为对桥跨结构而言，这个方向的气流最易于引起桥跨结构的涡激振动，甚至造成共振，而与车流方向平行的气流基本不会引起桥跨结构的涡激振动。考虑到无论什么方向的气流都可以分解为车流方向和与桥跨结构横截面宽边平行的方向，所以实验时如上布置更具有代表性。
如图3(a)所示，气流绕过桥跨结构时的典型瞬态尾流照片，桥跨结构的尾流中存在明显的漩涡结构，正、负两方向的漩涡在尾流中沿流向交替排列，上游的漩涡脱落后向下游发展。明显漩涡结构的存在表明，此时桥跨结构受到涡激振动的作用。图3(b)给出了安装控制件后，气流绕过桥跨结构时的瞬态尾流照片。与图3(a)相比，此时桥跨结构的尾流中原本存在明显的漩涡结构消失了，这说明控制件的引入，抑制了桥跨结构尾流漩涡的产生、脱落，从而消减了桥跨结构受到的涡激振动。
图4(a)、(b)是未加控制件时，在模型尾迹不同位置采集到的速度信号的频谱图，从图中可以看到频谱图中出现明显的峰值，这说明此时桥跨结构尾迹中存在较强的周期性漩涡脱落。图4中的(c)、(d)、(e)和(f)分别对应四个不同位置安装控制件以后，采集到的速度信号的频谱图，此时原本在图4(a)、(b)中存在的峰值消失了，这表明在这四个不同位置加了控制件之后，桥跨结构模型绕流的漩涡脱落被很好地抑制了，涡激振动得以消减。
事实上引入控制件之前，当来流绕过桥跨结构时，由于桥跨结构上下表面附近区域的剪切层将在逆压梯度的作用下，于桥跨结构下游侧面上、下边缘处分离，在主流牵引和逆压梯度阻碍的共同作用下产生漩涡脱落。此时，尾流中的交替产生的漩涡脱落将使桥跨结构受到涡激振动的作用。引入小控制件以后，由于控制件的存在，将使得小控制件和桥跨结构之间的间隙流对桥跨结构的尾流造成扰动，从而改变桥跨结构尾流的流态，抑制漩涡的产生、脱落，最终消减桥跨结构受到的涡激振动。

Claims (2)

1.一种桥跨结构涡激振动的消减方法，其特征在于该方法是在桥跨结构的底面沿桥跨结构车流方向平行设置长条形控制件；
控制件长度与桥跨结构长度相同，控制件与桥跨结构底面之间的距离为桥跨结构横截面厚度的0.2倍至1.5倍；
控制件到桥跨结构底面两侧边的水平距离之和为桥跨结构横截面宽度；
控制件横截面最宽边与桥跨结构的底面垂直。
2.根据权利要求1所述的一种桥跨结构涡激振动的消减方法，其特征在于：所述的控制件横截面为矩形，其宽度为b、厚度为h，b∶h＝3～6∶1；控制件横截面宽度与桥跨结构横截面厚度比为0.1～0.3∶1。
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