CN104894968B - 一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，是在现有大跨度桥梁用桥塔结构基础上，引入基于吸/吹气原理的主动流动控制技术，通过在桥塔结构中合理布置零质量射流装置和主动流动控制系统，从而实现对强/台风作用下大跨度桥梁桥塔结构风致振动的有效控制。具体方法是将零质量射流装置布置于塔柱及塔柱间横梁当中，借助主动流动控制系统中风速风向仪、加速度传感器、风压计的实测数据，由阈值判定子系统来控制零质量射流装置的运转，实现基于吸/吹气理论的大跨度桥梁用桥塔风致振动的主动流动控制。同时，对塔柱及塔柱间横梁进行专门的设计以抵抗零质量射流装置工作时附加的动力作用。本发明在大型桥梁超高桥塔结构的振动控制中有着广泛的工程应用前景。

Description

一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔

技术领域

本发明涉及一种基于吸/吹气技术的可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，特别适用于大跨度斜拉、悬索桥等的超高桥塔结构，以有效减小桥塔在强/台风作用下的风致振动响应。

背景技术

风灾是自然灾害中发生最频繁的一种。近年来，全球气候变化较大，台风等强风天气显得更加猖獗，风灾损失逐年增加。我国当前正处于交通工程建设的蓬勃发展阶段，大量特大跨径桥梁结构不断涌现，桥梁主跨不断被刷新。这些大跨径桥梁结构对强/台风作用更加敏感，其在各类动力荷载作用下的振动幅度随着桥跨的增加而不断增大，因此，对这些大跨度桥梁进行全面合理的抗风设计和振动控制必不可少。

结构振动控制是当前工程界研究的热点之一。在大跨度斜拉、悬索桥体系风振控制中，空气动力学和机械阻尼等措施采用较多。其中，空气动力学措施(包括被动、半主动和主动控制)是当前控制桥梁结构风荷载和风致振动响应最为重要的手段之一，近半个世纪以来得到了广泛的研究和应用。流动控制被认为是当前空气动力学最有发展潜力的研究领域之一，是指采取一定的局部控制措施来改变钝体或流线体周围的全局流场，从而实现控制流动分离、改善绕流性能、减少阻力等目的的控制方法。

主动流动控制是指借助某种手段对流线体或钝体边界施加某些附加条件，从而实现物体周围的绕流分离。主动流动控制仅仅通过对流场中某些临界点进行控制就可以对整个流场产生影响，还可以实现对复杂动力系统的高效相位控制，使其备受关注。吸/吹气法是主动流动控制领域近些年发展起来的一种控制方法，吸气法是通过对分离剪切层中螺旋状旋涡和边界层中即将分离的低速流动部分进行吸除，从而减少结构风效应并控制结构风致振动。吹气法则是通过对边界层中受粘性和逆压梯度阻挠而停滞不前的流体等施加额外的动量，从而抑制流体分离的发展。

零质量射流技术发展于20世纪90年代，经过近20年的发展已相对成熟，使实现大跨度桥梁桥塔结构基于吸/吹气方法的主动流动控制成为可能。通过对旋涡结构的融合控制可以实现这种零质量射流的“合成”，高动量的变频流动控制可以通过微小型激励器的调节来实现，因而有效降低了系统体量，弥补了常规均匀吸/吹气控制技术的不足。在大跨度桥梁的桥塔结构上合理有效的布置安装此类射流装置，可以起到控制桥梁风荷载和风致振动的作用，提升大跨度桥梁桥塔结构的抗风能力。

近年来传感器技术、自动化控制技术等得到了飞速发展，相关理论也不断完善。风速、风压和加速度等传感器的采样频率以及测试精度不断提升，如Gill风速风向仪的采样频率已可达100Hz。数据传输技术也逐步实现了无线化和智能化，抗干扰和屏蔽能力不断提升。控制技术领域的时滞问题也由于同步技术的应用而得到了较好地解决。以上均为本新型抗强风桥塔结构的实现提供了强有力的技术支持。

可以预见，随着现代经济和交通运输的迅速发展，具有超强跨越能力的悬索桥、斜拉桥将会有着更为广阔的工程应用前景。伴随着缆索支承桥梁体系跨径的不断增加，相应的桥塔结构也将越来越高，对超高桥塔结构进行控制也因此显得更加迫切。如何将结构抗风新技术应用于桥塔结构的抗风，以减小桥塔结构的风致振动响应将备受关注。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，在不改变原有桥塔主要形状的同时，在桥塔上布设零质量射流装置以及主动流动控制系统，以减小作用在桥塔结构上的风荷载、控制桥塔结构的风致振动。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，包括桥塔主体结构，所述桥塔主体结构上安装有传感器子系统和零质量射流装置，所述传感器子系统通过数据采集传输和存储子系统连接到阈值判定子系统，所述零质量射流装置连接到供能系统和阈值判定子系统。

具体地，所述传感器子系统包括风速风向仪、加速度传感器和风压计，所述传感器子系统采集桥址区风速风向数据、桥塔结构的加速度和风压数据以及主体结构振动数据；所述数据采集传输和存储子系统将采集的数据通过无线传输设备传递给阈值判定子系统，所述阈值判定子系统对实测数据采用统计方法建立各个指标的概率分布曲线，预先设定的各自上分位点对应的指标值，作为零质量射流装置的动作阈值。

本发明的基于吸/吹气原理的可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，包括塔柱、塔柱间横梁、零质量射流装置、风速风向仪、风压计、加速度传感器、中心机房和基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统；其中，塔柱和塔柱间横梁构成桥塔的主体结构，以承受缆、索传来的荷载；风速风向仪、风压计、加速度传感器、零质量射流装置以及中心机房构成主动流动控制系统。

在保证桥塔承载能力和正常使用的同时，将零质量射流装置安装在桥塔横梁和塔柱中，使之在接收到指令后，可发挥主动流动控制功能。新型桥塔结构的风效应主要取决于吸/吹气流量系数，且与风速廓线有密切联系，而场地风速廓线的具体形状与该场地的地表粗糙度直接关联。我国现行《公路桥梁设计规范》采用如下指数率模型来刻画风速廓线：

$\frac{U_{Z_2}}{U_{Z_1}}={\left(\frac{Z_2}{Z_1}\right)}^{\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

式(1)中，和分别表示Z₁与Z₂高度处的风速，α是与地表粗糙度影响有关的无量纲幂指数，可根据规范查表确定。依据式(1)，桥址区地表条件一定时，高处风速较大，桥塔高处所受风荷载对桥塔结构的影响较大，因此对桥塔上部结构进行主动流动控制将取得更好的控制效果。

为此，本发明中所述桥塔的零质量射流装置安装于桥塔结构的上半部分，根据功率与风速的平方成正比这一关系，输出功率从下向上也以指数形式增加：

$\frac{P_{Z_2}}{P_{Z_1}}={\left(\frac{Z_2}{Z_1}\right)}^{2\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

式(2)中，和分别表示Z₁和Z₂高度处的射流器输出功率，α同式(1)。

输出功率的基准值依据作用于桥塔结构的等效静力风荷载来确定，桥塔结构的风振系数参照式(3)确定后，即可得到相应的等效静力风荷载。

$G=1+g\frac{{\mathrm{\σ}}_R\left(z\right)}{\stackrel{\‾}{R}\left(z\right)}---\left(3\right)$

式(3)中，和σ_R(z)分别表示顺风向位移响应的均值和均方根，可以通过对桥塔结构振动响应的监测数据进行统计分析得到。

依据阵风荷载因子法得到的等效静力风荷载为：

$F\left(z\right)=G\stackrel{\‾}{F}\left(z\right)---\left(4\right)$

式(4)中，为z高度处静力风荷载，可以通过实测或理论分析得到。至此，依据模型试验与数值建模技术建立等效静力风荷载和输出功率基准值之间的关系如下：

$P_{Z_0}=\mathrm{\β}\stackrel{\‾}{F}\left(z_0\right)---\left(5\right)$

式(5)中，β为荷载功率转换系数，可以通过试验与数值模拟方法进行确定。

本发明所述桥塔将中心机房安置于桥塔柱间横梁中，依据线性定常系统的受控运动方程，中心机房对传感器传来的数据进行处理后，根据预先设定好的阈值判定子系统对零质量射流装置是否启动进行判断，控制方程在数学上表示为状态空间方程，其离散形式如下：

$\left\{\begin{array}{c}X\[K+1\]=AX\[K\]+BU\[K\]\\ Y\[K\]=CX\[K\]+DU\[K\]\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，上式为状态方程，下式为输出方程。A为状态系数矩阵，B为系统控制系数矩阵，C为输出状态系数矩阵，D为输出控制系数矩阵。依据物理意义，设系统K时刻状态X[K]，K+1时刻的状态为X[K+1]，计算机依据程序对系统进行控制，控制描述为U[K]，输出描述为Y[K]，此时对系统K时刻控制的描述即可依据方程(6)进行。

具体地，所述桥塔为具有塔柱和下横梁的H型桥塔，所述下横梁中安装有基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统电能储存及线路优化控制模块和中心机房。

本发明所述桥塔风速风向仪、风压计、加速度传感器、中心机房及射流装置等的能源供应可以依据本课题组已授权专利《一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统》(发明专利授权号：ZL201210566841X)来实现。

本发明中所述的桥塔体系以H型桥塔为例，功能分区清晰，通过主动流动控制技术的引入，以实现强/台风环境下超高桥塔结构风致振动的自动化控制。其中，通过在桥塔塔柱的顶部设置风速风向仪，同时在射流装置附近布置风压计与加速度传感器，构成主动流动控制系统的传感器子系统。上述三种传感器采集的数据均通过无线传输设备传输并存储于中心机房。依据桥址区的长期风速风向、风压与加速度监测数据，在对数据进行滤波等预处理和统计分析的基础上，分别拟合得到桥址区风速风向、风压和加速度的概率分布函数，并据此设定阈值判定子系统中相应的阈值。其中，取上0.15分位点对应的风速值、上0.3分位点对应的风压值和上0.2分位点对应的加速度值作为射流装置动作阈值。上述三种传感器的测试值中的任一数值超过设定阈值，阈值判定子系统则对零质量射流装置发出指令进行射流控制，从而减轻桥塔结构在强/台风作用下的振动响应。

有益效果：斜拉桥与悬索桥以各自独特的结构优势成为大跨度桥梁的首选桥型，随着桥梁跨径的增加，桥塔也将变得越来越高。鉴于超高桥塔的结构和受力特点，桥塔截面形式通常为钝体断面而非流线型，使其被动控制难以较好的实现，对结构体系的抗风十分不利。本发明在现有大跨度桥梁体系中常用H型桥塔的基础上，引入吸/吹气方法、现代传感技术以及自动化控制技术对超高桥塔结构的风荷载及风效应进行主动控制，以有效控制超高桥塔结构的风致振动响应、提高大跨度桥梁中的超高桥塔结构抵抗强/台风作用的能力。随着世界范围内跨江跨海工程的不断兴建，本可抗强风的新型桥塔结构势必在未来强/台风多发区的大跨度桥梁体系中得到应用，产生显著的经济和社会效益。

附图说明

图1是典型桥塔立面示意图；

图2是典型桥塔平面示意图；

图3是可抗强风的大跨度桥梁用桥塔立面示意图；

图4是可抗强风的大跨度桥梁用桥塔平面示意图；

图5是可抗强风的大跨度桥梁用桥塔侧面示意图；

图6是零质量射流装置在横梁中的布置立面示意图；

图7是压电膜振动式零质量射流装置工作原理示意图；

图8是主动流动控制系统流程图；

图中：桥塔塔柱1；塔柱间横梁2；承台3；零质量射流装置4；风速风向仪5；中心机房6；加速度传感器7；风压计8。

具体实施方式

如图1和图2所示的大跨度桥梁典型的H型桥塔，包括桥塔塔柱1、塔柱间横梁2、承台3。本实施例的桥塔结构应用于H型桥塔后如图3、图4和图5所示，包括：桥塔塔柱1、塔柱间横梁2、承台3、零质量射流装置4、风速风向仪5、中心机房6、加速度传感器7和风压计8。其中，塔柱间横梁2总共包含3根横梁，按照高度分为上横梁、中横梁和下横梁。零质量射流装置4、风速风向仪5、中心机房6、加速度传感器7、风压计8以及数据传输系统共同组成桥塔的基于吸/吹气原理的主动流动控制系统。

零质量射流装置4采用压电膜振动式激励器，将零质量射流装置4布设于两塔柱1及塔柱间横梁2中，且输出功率从下至上按(2)式指数分布形式增加。考虑到塔柱1上部、塔柱间横梁2内零质量射流装置的布设将使其受动载作用，故应适当加大塔柱1上部以及塔柱间横梁2的截面高度，以抵抗这一动载的作用。中心机房6布设于桥塔的下横梁中，同时将基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统中的电能储存模块和线路优化控制模块也布置于下横梁中，以便于监测数据的查看及设备的维护。

如图6所示，加速度传感器7和风压计8在塔柱间横梁2上零质量射流装置4周边呈十字形分布。

如图7所示，零质量射流装置的射流激励器由开孔(或缝)的激励器腔体和能动部件两部分组成，综合考虑各方面因素，选择压电膜振动式激励器作为零质量射流装置的主要能动部件，以充分利用其结构简单，工作频带宽且响应迅速的优点，确保零质量射流装置4在强/台风作用下仍能够高效、稳定且长久的工作。

如图8所示，风速风向仪、加速度传感器和风压计共同构成了主动流动控制系统的传感器子系统，由它们采集桥址区风速风向数据，以及桥塔结构的加速度和风压数据，并将数据通过无线传输设备传递给中心机房进行滤波等预处理，依据长期实测数据采用统计方法建立各个指标的概率分布曲线。将预先设定的各自上分位点对应的指标值，取作为零质量射流装置的动作阈值。中心机房布置于下横梁中，依据控制理论中的状态空间方程，并结合监测值与阈值的对比结果来对零质量射流装置进行控制。考虑到系统安装的便捷性以及运行的稳定性，应在每一座桥塔的下横梁中布置本桥塔专用中心机房，从而分别对各个桥塔的风致振动进行控制。由于所述H型桥塔的振动控制体系中多数重要部件均布置于下横梁中，故设计时应充分考虑桥塔下横梁结构的安全性、适用性及耐久性。

本发明中零质量射流装置、风速风向仪、中心机房、加速度传感器、风压计以及无线传输设备等均需要消耗一定的能源，本发明依据课题组原有授权专利成果《一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统》(发明专利授权号：ZL201210566841X)为以上相应的设备提供能源。

由于本发明所述桥塔同普通桥塔在结构形式上基本一致，因此，本发明所述可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔在设计时可以参考《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)以及《公路桥梁加固设计规范》(JTGJ22-2008/T)进行设计。

Claims (5)

1.一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，包括桥塔主体结构，其特征在于：所述桥塔主体结构上安装有传感器子系统和零质量射流装置，所述传感器子系统通过数据采集传输和存储子系统连接到阈值判定子系统，所述零质量射流装置连接到供能系统和阈值判定子系统。

2.根据权利要求1所述的一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，其特征在于：所述传感器子系统包括风速风向仪、加速度传感器和风压计，所述传感器子系统采集桥址区风速风向数据、桥塔结构的加速度和风压数据以及主体结构振动数据；所述数据采集传输和存储子系统将采集的数据通过无线传输设备传递给阈值判定子系统，所述阈值判定子系统对实测数据采用统计方法建立各个指标的概率分布曲线，预先设定的各自上分位点对应的指标值，作为零质量射流装置的动作阈值。

3.根据权利要求1所述的一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，其特征在于：所述零质量射流装置在桥塔主体结构上从下到上布置，其从下向上的输出功率以指数形式增加：

$\frac{P_{Z_2}}{P_{Z_1}}={\left(\frac{Z_2}{Z_1}\right)}^{2\mathrm{\α}}$

式中，和分别表示Z₁和Z₂高度处的射流器输出功率，α是与地表粗糙度影响有关的无量纲幂指数。

4.根据权利要求1所述的一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，其特征在于：所述零质量射流装置的控制依据状态空间方程，以及传感器子系统实测数据与阈值的对比结果：

$\left\{\begin{array}{c}X\[K+1\]=AX\[K\]+BU\[K\]\\ Y\[K\]=CX\[K\]+DU\[K\]\end{array}\right.$

上式为状态方程，下式为输出方程，A为状态系数矩阵，B为系统控制系数矩阵，C为输出状态系数矩阵，D为输出控制系数矩阵；X[K]为系统K时刻状态，X[K+1]为系统K+1时刻的状态，计算机依据程序对系统进行控制，控制描述为U[K]，输出描述为Y[K]。

5.根据权利要求1所述的一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，其特征在于：所述桥塔为具有塔柱和下横梁的H型桥塔，所述下横梁中安装有基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统电能储存及线路优化控制模块和中心机房。