CN103422428A - 主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统 - Google Patents

主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统 Download PDF

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丁幼亮
耿方方
葛文浩
宋永生
王高新
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本发明公开了一种主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统，在设置刚性铰处的主梁梁跨底板的左右两侧与下方桥塔的联结处各设置两个流体阻尼器，所述流体阻尼器均布置在竖直平面内且位于同侧的两个流体阻尼器以所对应的桥塔横梁的纵向中轴线对称分布；流体阻尼器的一端与桥塔横梁连接，另一端与主梁梁跨底板连接。对称设置的两个流体阻尼器提供扭转阻尼力，并通过有限元模型计算和确定流体阻尼器的设计参数，能够有效抑制主梁设置刚性铰的斜拉桥因强风作用引起的主梁横向风振反应，方便快捷且准确度高，给主梁设置刚性铰的斜拉桥桥梁工程建设提供便利有效的控制方法。

Description

主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统
技术领域
本发明属于桥梁结构工程领域，特别是针对设置刚性铰的斜拉桥主梁因强风作用而引起的横向风振反应的控制系统。
背景技术
现代大跨度斜拉桥的主梁长度越来越长。主梁越长，温度作用下的温度变形及其对斜拉桥结构的影响越大。为了减少主梁温度变形对斜拉桥受力的影响，同时保证主梁的连续性，刚性铰作为一种新型构造设计应用于斜拉桥。如我国浙江嘉绍大桥的主梁全长2680m，其结构设计方案中在主梁中跨跨中区域设置刚性铰。此种构造方式将主梁在刚性铰处断开并设置伸缩缝，释放伸缩缝两端主梁的纵向温度变形，从而降低全桥温度效应。然而，嘉绍大桥的动力响应分析结果表明，主梁中跨跨中区域设置刚性铰后，主梁中跨的横向位移显著增大，增加了主梁中跨结构风致作用下的不稳定性，需要研究适宜的减振控制措施。
对此，常规的主梁横向风振反应控制方法是在桥塔与主梁联接处横向设置流体阻尼器，或者在主梁跨中区域设置横向调频质量阻尼器。这些方法对于主梁因设置刚性铰导致的横向风振反应的控制效果较差。这主要是由于设置刚性铰的梁跨会产生显著的扭转振型，而扭转振型导致了横向风振反应增大。然而，常规的控制方法仅对主梁横向弯曲振型导致的横向风振反应是有效的，对于扭转振型导致的横向风振反应则控制效果较差。为此，寻找有效抑制主梁设置刚性铰的斜拉桥因强风作用引起的主梁横向风振反应是十分必要的。
发明内容
要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供一种设置刚性铰的主梁斜拉桥主梁的横向风振反应的控制系统，解决现有技术中在桥塔与主梁联接处横向设置流体阻尼器或者在主梁跨中区域设置横向调频质量阻尼器等常规控制方法对扭转振型导致的横向风振反应则控制效果较差的技术问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统，在设置刚性铰处的主梁梁跨底板的左右两侧与下方桥塔的联结处各设置两个流体阻尼器，所述流体阻尼器均布置在竖直平面内且位于同侧的两个流体阻尼器以所对应的桥塔横梁的纵向中轴线对称分布；流体阻尼器的一端与桥塔横梁连接，另一端与主梁梁跨底板连接。
进一步的，在本发明中，所述流体阻尼器的轴向与主梁纵向的交角为30°～60°。在该范围内均有效，但不同角度的设置会导致流体阻尼器的设计参数及对抑制主梁设置刚性铰的斜拉桥因强风作用引起的主梁横向风振反应的效果不一样。
优选的，在本发明中，所述流体阻尼器的轴向与主梁纵向的交角为45°。此时对抑制主梁设置刚性铰的斜拉桥因强风作用引起的主梁横向风振反应效果最佳。
流体阻尼器的设计参数阻尼系数c和阻尼指数α的确定方法包括顺序执行的以下步骤：
（1）建立主梁设置刚性铰的斜拉桥有限元模型，计算斜拉桥有限元模型在脉动风作用下的主梁横向风振反应，获得主梁跨中横向位移的均方根值；
（2）在斜拉桥有限元模型中，在设置刚性铰处的主梁梁跨底板的左右两侧与下方桥塔的联结处各设置两个流体阻尼器，形成带流体阻尼器的斜拉桥有限元分析模型，计算带流体阻尼器的斜拉桥有限元分析模型在脉动风作用下的主梁横向风振反应，对流体阻尼器的不同阻尼系数c和阻尼指数α的进行取值，获得不同阻尼系数c和阻尼指数α对应的主梁跨中横向位移的均方根值；
（3）计算主梁梁跨的跨中横向位移的减振率β，β=（安装流体阻尼器前的主梁跨中横向位移的均方根值-安装阻尼器后的主梁跨中横向位移的均方根值）/安装流体阻尼器前的主梁跨中横向位移的均方根值×100%；
（4）绘制流体阻尼器选取不同阻尼系数c和阻尼指数α时的主梁跨中横向位移的减振率β图，根据该图确定最大的主梁跨中横向位移的减振率β及其对应的阻尼系数c和阻尼指数α，此时的阻尼系数c和阻尼指数α即所求设计参数。
有益效果：本发明在主梁设置刚性铰的斜拉桥的主梁梁跨底板的两端与下方桥塔的联结处各设置一个流体阻尼器以提供扭转阻尼力，并通过有限元模型计算和确定流体阻尼器的设计参数。实验证明，安装流体阻尼器后的减振率能达到50%左右，能够有效抑制主梁设置刚性铰的斜拉桥因强风作用引起的主梁横向风振反应，方便快捷且准确度高，给主梁设置刚性铰的斜拉桥桥梁工程建设提供便利有效的控制方法。
附图说明
图1是本发明的主梁设置刚性铰的斜拉桥体系布置示意图；
图2是主梁设置刚性铰的斜拉桥主梁横向位移反应图；
图3是本发明的流体阻尼器在主梁和桥塔之间的安装示意图；
图4是本发明的流体阻尼器在主梁和桥塔之间的横断面布置图；
图5是不同流体阻尼器参数取值时的跨中横向位移的减振率β图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，为某斜拉桥体系布置示意图，主梁上有7个梁跨，其中在中间梁跨的跨中位置1设置有刚性铰。
如图1和图4所示，在设置刚性铰的主梁的梁跨底板的左右两侧与下方桥塔的联结处2各设置两个流体阻尼器3，所述流体阻尼器3均布置在竖直平面内且位于同侧的两个流体阻尼器3以所对应的桥塔横梁4的纵向中轴线对称分布；流体阻尼器3的一端与桥塔横梁4通过支座5连接，另一端与主梁梁跨底板通过连接件6连接，所述流体阻尼器3的轴向与主梁1纵向的交角为45°。通过在主梁梁跨底板的两端与下方桥塔的联结处对称设置两个流体阻尼器3以提供扭转阻尼力，抑制主梁设置刚性铰的斜拉桥因强风作用引起的主梁横向风振反应。
流体阻尼器3的设计参数阻尼系数c和阻尼指数α的确定方法包括顺序执行的以下步骤：
（1）建立主梁设置刚性铰的斜拉桥有限元模型，计算斜拉桥有限元模型在脉动风作用下的主梁横向风振反应，获得跨中横向位移的均方根值；斜拉桥限元模型在脉动风作用下的主梁横向风振反应属于本领域专业技术人员公知技术。
图2为设置刚性铰的主梁横向位移的均方根值。由图2可知，由于设置刚性铰的梁跨的扭转振型导致了横向风振反应增大，设置刚性铰的梁跨的横向风振反应相比其他梁跨显著增大。
（2）在斜拉桥有限元模型中，在设置刚性铰处的主梁1梁跨底板的左右两侧与下方桥塔的联结处2各设置两个流体阻尼器3，形成带流体阻尼器的斜拉桥有限元分析模型；对流体阻尼器3的不同阻尼系数c和阻尼指数α的进行取值，其中流体阻尼器3的阻尼系数c取值范围为2000～12000kN·(s/m)α，取值间隔为1000kN·(s/m)α，阻尼指数α取值范围为0.1～1.0，取值间隔为0.1，计算带流体阻尼器的斜拉桥有限元分析模型在脉动风作用下的主梁横向风振反应，获得不同阻尼系数c和阻尼指数α对应的跨中横向位移的均方根值。
（3）计算主梁梁跨的跨中横向位移的减振率β，β=（安装流体阻尼器3前的跨中横向位移的均方根值-安装流体阻尼器3后的跨中横向位移的均方根值）/安装流体阻尼器3前的跨中横向位移的均方根值×100%；
（4）绘制流体阻尼器3选取不同阻尼系数c和阻尼指数α时的跨中横向位移的减振率β图，根据该图确定最大的跨中横向位移的减振率β及其对应的阻尼系数c和阻尼指数α，此时的阻尼系数c和阻尼指数α即所求设计参数。如图5所示，最大减振率β为50.18%，对应的阻尼系数c为7000kN·(s/m)0.2，对应的阻尼指数α为0.2。
有限元计算结果表明，采用上述控制系统前主梁跨中横向位移的均方根值为4.700mm，采用上述控制系统后主梁跨中横向位移的均方根值减小为2.342mm，减振率为50.18%，有效抑制了主梁设置刚性铰的斜拉桥因强风作用引起的主梁横向风振反应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统，其特征在于：在设置刚性铰处的主梁（1）梁跨底板的左右两侧与下方桥塔的联结处（2）各设置两个流体阻尼器（3），所述流体阻尼器（3）均布置在竖直平面内且位于同侧的两个流体阻尼器（3）以所对应的桥塔横梁（4）的纵向中轴线对称分布；流体阻尼器（3）的一端与桥塔横梁（4）连接，另一端与主梁（1）梁跨底板连接。
2.根据权利要求1所述的主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统，其特征在于：所述流体阻尼器（3）的轴向与主梁纵向的交角为30°～60°。
3.根据权利要求1所述的主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统，其特征在于：所述流体阻尼器（3）的轴向与主梁纵向的交角为45°。
4.根据权利要求1所述的主梁设置刚性铰的斜拉桥的横向风振反应的控制系统，其特征在于：流体阻尼器（3）的设计参数阻尼系数c和阻尼指数α的确定方法包括顺序执行的以下步骤：
（1）建立主梁设置刚性铰的斜拉桥有限元模型，计算斜拉桥有限元模型在脉动风作用下的主梁横向风振反应，获得主梁跨中横向位移的均方根值；
（2）在斜拉桥有限元模型中，在设置刚性铰处的主梁（1）梁跨底板的左右两侧与下方桥塔的联结处（2）各设置两个流体阻尼器（3），形成带流体阻尼器的斜拉桥有限元分析模型，对流体阻尼器（3）的不同阻尼系数c和阻尼指数α的进行取值，计算带流体阻尼器的斜拉桥有限元分析模型在脉动风作用下的主梁横向风振反应，获得不同阻尼系数c和阻尼指数α对应的主梁跨中横向位移的均方根值；
（3）计算主梁跨中横向位移的减振率β，β=（安装流体阻尼器（3）前的主梁跨中横向位移的均方根值-安装流体阻尼器（3）后的主梁跨中横向位移的均方根值）/安装流体阻尼器（3）前的主梁跨中横向位移的均方根值×100%；
（4）绘制流体阻尼器（3）选取不同阻尼系数c和阻尼指数α时的主梁跨中横向位移的减振率β图，根据该图确定最大的主梁跨中横向位移的减振率β及其对应的阻尼系数c和阻尼指数α，此时的阻尼系数c和阻尼指数α即所求设计参数。
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