CN105388926B - 一种大跨度桥梁钢箱梁涡振控制的吹气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于解决大跨度桥梁钢箱梁在低风速下发生涡振控制的吹气方法，当钢箱梁出现较大涡激振幅时，该方法利用安装于钢箱梁两侧的吹气装置在钢箱梁背风侧吹气，以干扰钢箱梁结构背风侧涡流脱落现象的形成，从而避免钢箱梁发生涡激共振。其中采用安装于钢箱梁上的振动传感器实时监测钢箱梁的涡激振动响应，当所测钢箱梁涡振振幅大于预设振幅阈值时，控制系统则调用风速风向传感器实时监测数据，启动背风侧吹气装置并自动调节吹气速度。本发明主要应用于大跨度桥梁钢箱梁涡振控制，自动化程度高，控制效果明显，为强/台风多发区的大跨度桥梁钢箱梁抵抗涡激振动提供了一种全新的有效手段。

Description

一种大跨度桥梁钢箱梁涡振控制的吹气方法

技术领域

本发明涉及土木工程中大跨度桥梁抗风领域，适用于对强/台风多发区的大跨度桥梁钢箱梁涡激振动进行控制。

背景技术

近年来，国内外建成许多跨江渡海的大跨度桥梁工程，其结构形式主要以悬索桥、斜拉桥为主，如明石海峡大桥、中国舟山西堠门大桥、苏通大桥、润扬大桥等。对于这些大跨度缆索支承桥梁来说，随着跨径的增加，结构刚度大幅下降，使得风荷载常常成为控制荷载，同时风致振动也成为威胁桥梁安全性的主要因素。

而风灾又是自然灾害中发生最频繁的一种，据统计，全球每年由于风灾造成的损失达100亿美元，年平均死亡人数2万人以上，因而风灾给人类生命财产带来了巨大的危害。在美国Tacoma悬索桥发生颤振风毁事故后七十几年的今天，桥梁风致振动早已引起了各国桥梁工程师们的注意，且随着桥梁风工程研究的不断深入，风致桥梁振动已成为其中备受关注的热点课题。

风对桥梁造成的病害是多方面的，其中涡激振动(简称涡振)是气流流经钝体结构时产生漩涡脱落，使结构两侧表面受到交替变化的正负压力而激励起结构横风向限幅振动，而且涡振是带有强迫和自激双重性质的风致限幅振动。当漩涡脱落频率远离结构自振频率时，涡激力表现为强迫力的性质；当漩涡脱落频率接近或等于结构某一阶自振频率时，涡激力表现为自激力的性质，因此在大跨度桥梁中涡激共振是在低风速下极易出现的一种风致振动形式，振动带有自激性质，同时振动的结构又会对涡脱形成一定的反馈作用，进而限制涡振振幅。尽管涡振不像颤振、驰振一样是发散性的毁灭性的振动，但由于它发生风速低、频率高且振幅之大足以影响行车安全，有可能导致交通中断或行人丧失安全感，导致桥梁构件过早的疲劳破坏，严重的还会造成桥毁人亡的惨剧，故避免大跨度钢箱梁发生涡激共振或限制其振幅在可接受范围之内具有重要的意义。

目前控制桥梁钢箱梁涡振主要包括气动和阻尼两种措施。其中气动措施主要根据涡振对气动外形十分敏感的特点，对钢箱梁断面气动性能优化，可通过设置或调整桥梁的附属结构以改善其抗涡振性能，如平板隔流、增加风嘴、增设风嘴、增设导流板以及调整检修轨道等辅助设施位置，但是气动措施的控制机理目前尚不清楚，因此只能依靠风洞试验或CFD计算来确定各气动措施对涡振的影响。此外，在调整桥梁断面的气动外形时，要综合考虑对其他风致振动的影响，避免降低涡振响应的同时放大其他风致振动。阻尼措施则是利用涡振对阻尼相当敏感这一特性，阻尼的增加不但可缩短风速锁定区，而且会明显降低涡振振幅，因此增加结构的阻尼可以有效地抑制涡振，目前用于桥梁钢箱梁结构振动控制的阻尼器主要有调质阻尼器与调液阻尼器，但是阻尼措施的造价昂贵且不便于维修养护。

近年来流动控制被认为是当前空气动力学重要的研究领域之一，具有巨大发展潜力。流动控制可以分为被动流动控制和主动流动控制，被动流动控制是通过被动控制装置来改变流动环境，这种控制是预先设定的，当流场偏离设计状态时，就无法达到最佳控制效果。主动流动控制则是在流场中施加适当的扰动模式与并与流动的内在模式相互耦合来实现对流动的控制。主动流动控制的优势在于它能在需要的时间和部位出现，通过局部能量输入，获得局部或全局的流动改变控制。而吸吹气控制方法作为主动流动控制中的一种，是指采取吸吹气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、改变绕流性能、减小阻力和提高翼型的升阻比等目的的控制方法。早在1904年，普朗特提出边界层理论的同时，就已进行了用抽吸的办法控制圆柱绕流动和推迟流动分离的实验，实验结果表明流动是可以有效控制的。对吹气和吸气技术的研究主要集中在吹气或吸气开孔方式、形状、位置的研究；吹气强、弱与吹气变化方式的研究；吹气和吸气主动控制机理的研究等，在航空航天、管道运输、流体机械和高层建筑抗风等领域中正越来越多地被研究和应用。

发明内容

发明目的：由于当大气边界层中近地风绕过桥梁时，会产生流动分离和周期性的漩涡脱落，使结构上下或左右两侧表面出现交替变化的正负压力和力矩即涡激力，涡激力会引起结构横风向或扭转方向有限振幅的涡振，然而，现有的各类涡振控制手段尚存在诸多不足之处。为此，本发明创新性的将吹气技术引入到了大跨度桥梁钢箱梁的涡振控制当中，通过在钢箱梁背风侧进行吹气以干扰涡流脱落的形成，从而有效控制钢箱梁结构的涡振。

技术方案：本发明提供了一种大跨度桥梁钢箱梁涡振控制的吹气方法，该方法包括以下五个步骤，各步骤涉及的具体技术方案如下：

第一步：装置、仪器和控制系统的安装。由于在同一地点同一时间情况下，远离地面的地表摩擦力更小，空气流动性更好，也就是越高风速越大，捕风能力越强，故在桥塔顶部安装小型风能发电装置。为避免行车、降雨、高温等外部环境的干扰，振动传感器安装于钢箱梁内部底板上，控制系统安装于桥塔下横梁的内部。为保证来流风的风速风向实测更为准确，受到的干扰较小，风速风向传感器安装于钢箱梁两侧风嘴处，且安装高度高于钢箱梁3m以上。吹气装置安装于钢箱梁两侧风嘴边以提高吹气效率。

第二步：装置、仪器和控制系统的供能。本发明采用小型风能发电装置进行风能发电，为控制系统、吹气装置、振动传感器和风速风向传感器供能。供能方式及原理可参见本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》(发明专利号：ZL201210566841X)。

第三步：钢箱梁涡振响应及桥址区风速风向监测。通过振动传感器实时监测钢箱梁振动响应，同时风速风向传感器对桥址区风速风向进行实时监测。当测得的涡振振幅大于预设的振幅阈值时，控制系统则立即调用风速风向传感器的实时风速风向监测数据。

第四步:吹气装置的启动及吹气速度的控制。控制系统根据实时风向监测数据判断迎风侧和背风侧，并向背风侧吹气装置发出启动指令，同时控制系统根据实时风速监测数据对吹气装置的吹气速度进行控制，使其为实时所测风速的1.3到1.5倍，有效干扰背风侧涡流脱落，控制钢箱梁涡振。

第五步：吹气装置是否停止工作的判定。当风速风向传感器测得实时风速低于钢箱梁涡振临界风速且振动传感器测得钢箱梁振幅小于预设安全阈值时，控制系统则向背风侧吹气装置发出停止指令，以节约能耗。

有益效果：现有的大跨度钢箱梁涡振控制方法大都是通过优化钢箱梁断面气动外形或采取阻尼措施，其中优化气动外形只能改善但并不能消除涡振效应，阻尼措施造价昂贵且不便于维护。本专利申请引入流动控制技术，创新性的将吹气控制方法运用到大跨度钢箱梁涡振控制中来，以干扰钢箱梁背风侧流场形成涡流脱落，自动化程度高，控制效果明显。随着强/台风多发区大跨度桥梁的不断建设，桥梁结构的风致振动尤其是涡振问题日益突出，因此，本专利必将有着广阔的工程应用前景，产生显著的社会经济效益。

附图说明

图1:大跨度桥梁钢箱梁涡振控制吹气方法流程图

图2:桥塔顶风能发电装置安装布置示意图

图3:风速风向传感器及吹气装置布置示意图

图4:振动传感器布置示意图

图5:钢箱梁背风侧涡流脱落示意图

图6:背风侧吹气后钢箱梁风流向示意图

图中有：风力发电装置1；风速风向传感器2；吹气装置3；振动传感器4；风嘴5；顶板6；U形肋7；底板8；横隔板9；上横梁10；塔柱11；下横梁12；控制系统13。

具体实施方式

本发明实现方案的主要流程具体如下(参见图1)：

本发明将风能发电装置1安装于塔柱11顶部，吸收自然风能，为控制系统13、吹气装置3、振动传感器4和风速风向传感器2提供电力输出，供能方式及原理可参见本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》(发明专利号：ZL201210566841X)，安装布置详见图2。控制系统13安装于桥塔下横梁12的内部，安装布置详见图2。吹气装置3和风速风向传感器2安装于两侧钢箱梁风嘴5上，其中风速风向传感器2安装高度高于钢箱梁3m以上，安装布置详见图3。振动传感器4安装在钢箱梁内部底板8上，横向分布于钢箱梁中间和1/4位置处，安装布置详见图4。

振动传感器4实时监测钢箱梁涡振振幅，当大气边界层中近地风绕过桥梁产生流动分离和周期性的漩涡脱落，引起钢箱梁涡振时，若所测钢箱梁振幅大于预设振幅阈值，控制系统13则调用钢箱梁两侧风速风向传感器2实时监测的风速风向数据，并根据风向数据自动区分迎风和背风侧，向背风侧吹气装置3发出启动指令，并自动调节吹气速度为实时所测风速的1.3到1.5倍。

背风侧吹气装置3启动吹气后，改变钢箱梁背风侧流场，干扰涡流脱落的形成，控制涡振。图5和图6分别为吹气装置3启动前后钢箱梁背风侧风流向的示意图。

当风速风向传感器2测得实时风速低于钢箱梁涡振临界风速且振动传感器4测得钢箱梁振幅小于预设安全阈值时，控制系统13自动控制停止背风侧吹气装置，节约能耗。

Claims (3)

1.一种大跨度桥梁钢箱梁涡振控制的吹气方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步：小型风能发电装置安装于桥塔顶部；振动传感器安装于钢箱梁内部底板上；控制系统安装于桥塔下横梁的内部；风速风向传感器安装于钢箱梁两侧风嘴处，且安装高度高于钢箱梁3m以上；吹气装置安装于钢箱梁两侧风嘴边；

第二步：采用小型风能发电装置进行风能发电，为控制系统、吹气装置、振动传感器和风速风向传感器供能；

第三步：振动传感器对钢箱梁振动响应进行实时监测，当测得的涡振振幅大于预设的振幅阈值时，控制系统则立即调用风速风向传感器测得的实时风速风向数据；

第四步:控制系统根据实时风向监测数据判断迎风侧和背风侧，并向背风侧吹气装置发出启动指令，同时控制系统根据实时风速监测数据对吹气装置的吹气速度进行控制，使其为实时所测风速的1.3到1.5倍，以有效干扰涡流脱落控制钢箱梁涡振；

第五步：当风速风向传感器测得的实时风速低于钢箱梁涡振临界风速，且振动传感器测得钢箱梁振幅小于预设安全阈值时，控制系统则向背风侧吹气装置发出停止指令，结束吹气。

2.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁钢箱梁涡振控制的吹气方法，其特征在于第四步中利用吹气装置在钢箱梁背风侧吹气，改变钢箱梁背风侧风的流场，干扰涡流脱落的形成，有效控制钢箱梁涡振。

3.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁钢箱梁涡振控制的吹气方法，其特征在于第五步中采用了实测风速和钢箱梁振幅两个指标共同判定，即必须实测风速低于钢箱梁涡振临界风速，同时实测钢箱梁振幅小于预设安全阈值时，吹气装置才停止工作。