CN104233946A - 一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，通过对圆柱型吊杆增加扰流板来实现，本发明可以显著提高吊杆的抗风性能，减小吊杆所受涡激力，设计方便，施工简单，效果明显，对抑制吊杆涡激振动具有良好的作用。

Description

一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构

技术领域

本发明涉及一种气动抑振措施，特别涉及一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构。

背景技术

圆柱形结构物在实际生活中被广泛应用，如拱桥的吊杆、斜拉桥的拉索、桥墩、海洋石油工程中的开采平台、钻杆、水下输油管道等。研究表明流体绕过圆柱体表面会发生边界层分离，在一定的雷诺数范围内产生规则的旋涡脱落，旋涡会对物体产生顺来流方向和垂直来流方向的周期性变化的流体作用力，诱发结构物发生振动、疲劳甚至损坏，如斜拉桥的拉索在风与雨的共同作用下会发生风雨激振，拱桥的吊杆在风的作用下会发生涡激共振，振动严重时有可能会影响结构物的可靠性和安全性。

现有的桥梁抑振措施主要有机械措施、结构措施和气动措施三大类，机械措施和结构措施往往设计复杂，造价高昂，所以常采用气动措施，目前桥梁拉索或吊杆上常采用缠绕螺旋线、压制凹坑或表面做凸点的方法来抑制拉索或吊杆的振动。实践应用发现圆柱表面压制凹坑后，经过一段时间由于灰尘及雨水的作用，有些凹坑会被填平，抑制振动的效果会减弱。缠绕螺旋线和表面做凸点的方法使拉索或吊杆加工制作比较麻烦，而且会增大拉索或吊杆的风阻系数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

包括设置于圆柱型吊杆圆周上的或者设置于圆柱型吊杆圆周外的扰流板，所述扰流板为平板状，扰流板所在平面与圆柱型吊杆中轴线所在平面中的某一个平面重合。

当扰流板设置于圆柱型吊杆圆周外时，所述扰流板与设置于圆柱型吊杆上的悬臂相连。

一个圆柱型吊杆对应布置一至两个扰流板。

当一个圆柱型吊杆对应布置两个扰流板时，两个扰流板对称布置于圆柱型吊杆中轴线的两侧。

当一个圆柱型吊杆对应布置一个扰流板时，扰流板朝向桥梁内。

所述扰流板与圆柱型吊杆的长度相等。

所述圆柱型吊杆与扰流板之间的距离为圆柱型吊杆直径的0～1.0倍。

所述扰流板的宽度为圆柱型吊杆直径的0.5～1.5倍。

所述圆柱型吊杆与扰流板之间的距离为圆柱型吊杆直径的1.0倍，扰流板的宽度为圆柱型吊杆直径的1.5倍。

本发明的有益效果体现在：

本发明加工制作方便，施工简单，效果明显，对抑制桥梁圆柱型吊杆涡激振动具有良好的作用，可以提高圆柱型吊杆的抗风稳定性。

本发明通过设置扰流板，使吊杆的阻力系数减小达20％左右，升力系数幅值减小达85％左右，很好的抑制了圆柱型吊杆表面的涡脱力。

本发明扰流板的设置宽度和位置可以有多种形式，结构灵活，适用范围广，且均可大幅度降低圆柱型吊杆表面的涡脱力。

本发明中，当扰流板位于来流下游时，不仅可以降低结构表面的涡脱力，而且可以减小吊杆的风阻系数。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(圆柱与扰流板之间的距离为0，即圆柱与扰流板接触)；

图2为单侧设置直接接触的扰流板的示意图；

图3为单侧设置扰流板的示意图；

图4为流场涡量图，其中，(a)为无扰流板，(b)为有扰流板；

图5为流场迹线图，其中，(a)为无扰流板，(b)为有扰流板；

图6为扰流板单侧布置示意(a)及流场图(b)；

图7为扰流板上、下游对称布置示意图(a)及流场图(b)；

图8为扰流板与圆柱型吊杆间存在间距时扰流板的安装示意图；

图中：1表示线段HE，2表示圆柱型吊杆，3表示扰流板，4表示悬臂，D表示圆柱直径，W表示扰流板宽度，S表示扰流板与圆柱的间距，L表示扰流板长度。

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。

本发明针对圆柱型吊杆涡激振动问题，采用扰流板减小圆柱型吊杆(或其他圆柱型结构，如拉索)表面的涡激力，抑制涡振。具体包括设置于圆柱型吊杆圆周上的或者设置于圆柱型吊杆圆周外的扰流板，所述扰流板为平板状，扰流板所在平面与圆柱型吊杆中轴线所在平面中的某一个平面重合。扰流板与圆柱型吊杆的长度相等，参见图1。

单侧设置扰流板且扰流板位于来流下游(来流方向为从H到E)的数值模拟例子如表1所述，工况编号2-8对应图2-图3。根据Gerrar的圆柱绕流理论，旋涡脱落是由于圆柱壁面上下分离的剪切层相互作用形成的。圆柱上表面脱落的涡和下表面脱落的涡会向圆柱径向截面上过中心的线段HE的尾部附近(即E点外侧HE的延长线上)运动。在所述尾部附近存在一个上下交界区，在交界区上、下表面脱落的涡会相互作用并保持惯性向下游运动形成一个完整的下游涡。该下游涡中有一分界线，分界线上、下流体来源于圆柱上、下表面的涡脱。为了阻隔圆柱上下表面的涡脱在交界区的相互作用，消除或延缓涡脱的形成，可在所述尾部附近不同位置处放置不同宽度的扰流板，从而抑制桥梁圆柱型吊杆的涡激振动。

表1不同扰流板计算结果(扰流板长度与圆柱长度相等)

表1给出了8种不同工况的计算结果，包括距离E点0.5D和1.0D的位置分别放置宽度为0.5D、1.0D和1.5D的扰流板。由表1可见：引入扰流板后，圆柱的风阻系数、Strouhal数和升力系数幅值均呈减小趋势，说明在所述尾部附近位置放置扰流板可以很好的抑制圆柱绕流。比较几种不同工况可以看到在距离E点1.0D位置，放置1.5D宽度的扰流板效果最好，其圆柱风阻系数为1.0152，与无扰流板时的风阻系数相比减小了23.7％，升力系数的幅值减小了85％，由于圆柱的升力主要受表面涡脱影响，所以升力系数幅值的大幅降低说明扰流板很好的抑制了圆柱表面涡脱的效力。

图4和图5分别给出了考虑扰流板与不考虑扰流板的流场涡量和流场迹线。由图4可见：流体流过圆柱时会在其后方形成有规律的涡脱。放置扰流板后，圆柱尾流明显变窄，涡脱的尾迹变长，故涡脱周期变长，Strouhal数变小。由图5可见：有扰流板后使尾流在圆柱后部上下尾流交界区的相互作用延缓及减弱。故扰流板对圆柱绕流起到了很好的控制作用。

当扰流板不放在所述尾部附近(即上下交界区)时，如图6所示，扰流板的存在也会阻隔圆柱上、下表面涡脱在尾流交界区的相互作用，消除了周期性涡脱的形成，起到抑制涡振的作用。但是，由于扰流板这样放置后增大了阻风面积，使得圆柱体的阻力系数增大72％，升力系数增大95％，故扰流板设置在所述尾部附近位置是最经济、效果最好的。

在所述尾部附近及其相对于圆柱中轴线的对称侧布置一对扰流板，如图7所示，起到的效果与在所述尾部附近位置设置单侧扰流板效果接近，都限制了圆柱上下表面的涡脱在交界区的相互作用。双侧对称布置扰流板会使圆柱体的阻力系数减小28％，却会使升力系数幅值增大13％，故考虑施工便捷、经济等因素，单侧设置扰流板即可。

实际应用中，若在圆柱型吊杆单侧设置扰流板，可以选择朝向桥内方向进行设置，这样更加美观，而且，当来流方向是由桥外流向内时，可以降低风阻。

根据表1以及图4、图5的结果，桥梁圆柱型吊杆发生涡激振动可以采用本发明来抑制。本发明可以单独作为一种有效抑振措施，也可以与其他抑振措施组合使用。相比现有的其他抑振措施，本发明除了加工简便、还可以同时使圆柱体的阻力系数、升力系数和Strouhal数降低，抑振效率较高。

另外，参见图8，当扰流板与圆柱型吊杆存在间距时，扰流板可以采用与悬臂(由吊杆上伸出)焊接的方式完成安装。

Claims (9)

1.一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：包括设置于圆柱型吊杆(2)圆周上的或者设置于圆柱型吊杆(2)圆周外的扰流板(3)，所述扰流板(3)为平板状，扰流板(3)所在平面与圆柱型吊杆(2)中轴线所在平面中的某一个平面重合。

2.根据权利要求1所述一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：当扰流板(3)设置于圆柱型吊杆(2)圆周外时，所述扰流板(3)与设置于圆柱型吊杆(2)上的悬臂(4)相连。

3.根据权利要求1所述一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：一个圆柱型吊杆(2)对应布置一至两个扰流板(3)。

4.根据权利要求3所述一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：当布置两个扰流板(3)时，两个扰流板(3)对称布置于圆柱型吊杆(2)中轴线的两侧。

5.根据权利要求3所述一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：当布置一个扰流板(3)时，扰流板(3)朝向桥梁内。

6.根据权利要求1所述一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：所述扰流板(3)与圆柱型吊杆(2)的长度相等。

7.根据权利要求1所述一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：所述圆柱型吊杆(2)与扰流板(3)之间的距离为圆柱型吊杆直径的0～1.0倍。

8.根据权利要求1所述一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：所述扰流板(3)的宽度为圆柱型吊杆直径的0.5～1.5倍。

9.根据权利要求1所述一种抑制桥梁圆柱型吊杆涡激共振的气动结构，其特征在于：所述圆柱型吊杆(2)与扰流板(3)之间的距离为圆柱型吊杆直径的1.0倍，扰流板(3)的宽度为圆柱型吊杆直径的1.5倍。