CN106958192B - 一种抑制桥梁颤振的控制结构及方法 - Google Patents

一种抑制桥梁颤振的控制结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制桥梁颤振的控制结构及方法，所述桥梁包括主梁板和位于主梁板底部的钢梁，在所述桥梁的两端、侧面及底面与桥墩之间均设有减振装置，在桥梁的支座上安装有抗震垫，同时还安装有传感器和控制器，通过传感器将桥梁的风致振动情况传递至所述控制器，由控制器来调节减振装置的减振幅度，在所述桥梁的两个侧边上还设有挡风板，所述挡风板上部与主梁板的外端部连接，挡风板下部与钢梁最下面的钢板连接。本发明提出的桥梁颤振控制方法，设计合理，构造简单，可以有效减轻风振对桥梁的影响，同时也可以缓冲地震以及重力侧压对桥梁的破坏，并且该设计结构施工简单，造价低，具有普遍适用性。

Description

一种抑制桥梁颤振的控制结构及方法
技术领域
本发明涉及桥梁减振技术领域，具体是涉及一种抑制桥梁颤振的控制结构及方法。
背景技术
塔科马桥风毁事件后，国内外众多学者对钝体断面风振响应的机理展开了深入的研究。在纪念塔科马桥风毁事件60周年大会上，丹麦学者Larsen发表了针对Tacoma桥梁断面颤振机理研究的论文，他以CFD方法为基础，根据离散涡计算中涡旋的运动规律提出了一个简化分析模型。这个模型描述了H形主断面扭转运动的一个周期里涡旋的运动情况，并通过积分估算由涡旋产生的气动力对桥梁断面所做的总功，通过用能量方法分析涡激力做功与结构稳定之间的关系。
华北水利水电大学刘祖军等人发表的《诱发H形桥梁断面风振的空气能量输入特征》一文依据H形主梁断面的风洞模型试验结果，并基于流固松耦合的计算策略，利用现有流体软件Fluent的用户自定义(UDF)功能，分析了H形主梁断面颤振临界状态下的绕流特征，通过分块分析的思想研究了风致振动过程模型表面不同区域吸收气流能量的特点，以及旋涡的非定常演化对模型表面不同区域压力特性的影响。
据此，我们需要对类似于H形的主梁断面进行减振设计，尤其是减轻风致振动对桥梁的影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是，提供一种抑制桥梁颤振的控制方法，能够减轻风振对类似于H形主梁断面的影响。
本发明的技术方案是：一种抑制桥梁颤振的控制结构，所述桥梁包括主梁板和位于主梁板底部的钢梁，在所述桥梁的两端、侧面及底面与桥墩之间均设有减振装置，在桥梁的支座上安装有抗震垫，同时还安装有传感器和控制器，而传感器和控制器均安装在所述钢梁沿其长度方向的正中央位置的底面上；所述传感器包括振动检测单元、振动波生成单元，通过传感器将桥梁的风致振动情况传递至所述控制器，控制器与减振装置之间通过线路连接，由控制器来调节减振装置的减振幅度；在所述桥梁的两个侧边上还设有挡风板，所述挡风板上部与主梁板的外端部连接，挡风板下部与钢梁最下面的钢板连接，所述挡风板的下部与所述钢板之间是通过下紧固件活动连接的，所述下紧固件包括两个互相平行的连接板及螺栓、连接套、第一弹簧、第二弹簧，所述两个互相平行的连接板分别为上连接板和下连接板，所述连接套是由上下平行的上板和下板及中间的竖板组成，所述上板和下板均与所述竖板垂直，钢板的上下两个面上分别固定设有上压片和下压片，所述上连接板和下连接板的一端均与挡风板下部固定连接，所述螺栓由上而下依次穿过所述上连接板、上板、上压片、钢板、下压片、下板、下连接板，在上连接板与上板之间设有所述第一弹簧，第一弹簧套在螺栓外面，在下压片与下板之间设有所述第二弹簧，第二弹簧套在螺栓外面；所述挡风板的上部与主梁板的外端部之间是通过上紧固件固定连接的，所述上紧固件为铆钉。
其技术方案的关键点包括以下几个方面：
(1)所述减振装置采用液压减振器。
(2)所述抗震垫的组成材料为：丁基橡胶40-55％、环氧树脂4-10％、聚丁烯15-20％、丙纶1-3％、余量为PVC填料，该抗震垫具有较好的减振和阻尼效果，可以缓冲地震等对桥梁的冲击。
(3)所述桥梁的一端与桥墩之间通过固定支座连接，另一端与桥墩之间通过活动支座连接。
(4)所述桥梁与桥墩之间通过固定支座连接的一端，其主梁板端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ，共设置1-4个，而主梁板的外端部与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ，两侧对称设置，各设置1-2个；桥梁与桥墩之间通过活动支座连接的一端，其主梁板端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ，共设置1-4个，其主梁板的外端部与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ，各设置1-2个，其底面的钢梁与桥墩之间设置液压减振器Ⅲ，共设置2-4个。
所述的一种抑制桥梁颤振的控制方法，其控制方法为：
a.先采用Fluent软件提供的RANS方法的Realize k-e模型估算出桥梁断面在颤振临界状态下扭转振动频率和扭转幅值，根据这些参数设定减振装置的振幅，减振装置的振幅设为扭转幅值的1.15-3.5倍；
b.通过传感器的振动检测单元检测桥梁的振动情况，再由振动波生成单元产生主梁扭转振动的频率以及振幅参数；
c.将主梁扭转振动的频率及振幅等参数通过传感器传递至所述控制器；
d.由控制器来调节减振装置的减震幅度，利用减振装置的阻尼缓冲作用抵消桥梁的风振效应。
本发明的有益效果是：本发明所提出的抑制桥梁颤振控制方法，设计合理，构造简单，通过在主梁与桥墩之间设置多个减振装置，并由传感器来检测桥梁的实时振动情况，传递给控制器，进而来控制和调节减振装置的减振幅度，可以有效的减轻风振对桥梁的影响，同时也可以缓冲地震、重力侧压对桥梁的破坏，另外挡风板与桥梁之间的活动连接科技将部分风力缓冲吸收，也有助于减轻风振对桥梁的影响，并且本发明结构设计合理，施工和控制简单，造价低，具有普遍适用性。
附图说明
图1是本发明实施例2的俯视图；
图2是本发明实施例2的主视图；
图3是本发明主梁的横截面示意图；
图4是本发明挡风板与桥梁的连接示意图；
图5是本发明减振控制过程的示意图；
其中，1-桥墩、2-桥梁、2A-主梁板、2B-钢梁、3-减振装置、3a-液压减振器Ⅰ、3b-液压减振器Ⅱ、3c-液压减振器Ⅲ、4-固定支座、5-活动支座、6-抗震垫、7-传感器、8-控制器、9-振动检测单元、10-振动波生单元、11-挡风板、12-上连接板、13-下连接板、14-螺栓、15A-上压片、15B-下压片、16-连接套、16A-上板、16B-下板、16C-竖板、17-第一弹簧、18-第二弹簧、19-上紧固件、20-下紧固件。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行更进一步详细的说明。
实施例1：
一种抑制桥梁颤振的控制结构，桥梁2包括主梁板2A和位于主梁板2A底部的钢梁2B，在桥梁2的两端、侧面及底面与桥墩之间均设有减振装置3，减振装置3采用液压减振器，在桥梁2的支座上安装有抗震垫6，抗震垫6的组成材料为：丁基橡胶40％、环氧树脂4％、聚丁烯15％、丙纶1％、余量为PVC填料；同时还安装有传感器7和控制器8，而传感器7和控制器8均安装在钢梁2B沿其长度方向的正中央位置的底面上；传感器7包括振动检测单元9、振动波生成单元10，通过传感器7将桥梁2的风致振动情况传递至控制器8，控制器8与所述减振装置3之间通过线路连接，由控制器8来调节减振装置3的减振幅度；桥梁2的一端与桥墩之间通过固定支座连接，另一端与桥墩之间通过活动支座连接。桥梁2与桥墩之间通过固定支座连接的一端，其主梁板2A端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ3a，共设置1个，而主梁板2A的外端部2C与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ3b，两侧对称设置，各设置1个；桥梁2与桥墩之间通过活动支座连接的一端，其主梁板2A端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ3a，共设置1个，其主梁板2A的外端部2C与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ3b，各设置1个，其底面的钢梁2B与桥墩之间设置液压减振器Ⅲ3c，共设置2个。在桥梁2的两个侧边上还设有挡风板11，挡风板11上部与主梁板2A的外端部2C连接，挡风板11下部与钢梁2B最下面的钢板2D连接，挡风板11的下部与钢板2D之间是通过下紧固件20活动连接的，下紧固件20包括两个互相平行的连接板及螺栓14、连接套16、第一弹簧17、第二弹簧18，两个互相平行的连接板分别为上连接板12和下连接板13，连接套16是由上下平行的上板16A和下板16B及中间的竖板16C组成，上板16A和下板16B均与竖板16C垂直，钢板2D的上下两个面上分别固定设有上压片15A和下压片15B，上连接板12和下连接板13的一端均与挡风板11下部固定连接，螺栓14由上而下依次穿过上连接板12、上板16A、上压片15A、钢板2D、下压片15B、下板16B、下连接板13，在上连接板12与上板16A之间设有第一弹簧17，第一弹簧17套在螺栓14外面，在下压片15B与下板16B之间设有第二弹簧18，第二弹簧18套在螺栓14外面；挡风板11的上部与主梁板2A的外端部2C之间是通过上紧固件19固定连接的，上紧固件19为铆钉。
上述结构抑制桥梁颤振的控制方法为：
a.先采用Fluent软件提供的RANS方法的Realize k-e模型估算出桥梁2断面颤振临界状态下的扭转振动频率和扭转幅值，根据这些参数设定减振装置的振幅，减振装置的振幅设为H形主梁断面的扭转幅值的1.15倍；
b.通过传感器7的振动检测单元9检测主梁2的振动情况，再通过振动波生成单元10产生主梁2的扭转振动频率及振幅参数；
c.将主梁2的扭转振动频率及振幅参数通过传感器7传递至所述控制器8；
d.由控制器8来调节减振装置3的减震幅度，利用减振装置3的阻尼缓冲作用来抵消主梁2的风致振动效应。
实施例2：
一种抑制桥梁颤振的控制结构，桥梁2包括主梁板2A和位于主梁板2A底部的钢梁2B，在桥梁2的两端、侧面及底面与桥墩之间均设有减振装置3，减振装置3采用液压减振器，在桥梁2的支座上安装有抗震垫6，抗震垫6的组成材料为：丁基橡胶47.5％、环氧树脂7％、聚丁烯17.5％、丙纶2％、余量为PVC填料；同时还安装有传感器7和控制器8，而传感器7和控制器8均安装在钢梁2B沿其长度方向的正中央位置的底面上；传感器7包括振动检测单元9、振动波生成单元10，通过传感器7将桥梁2的风致振动情况传递至控制器8，控制器8与所述减振装置3之间通过线路连接，由控制器8来调节减振装置3的减振幅度；桥梁2的一端与桥墩之间通过固定支座连接，另一端与桥墩之间通过活动支座连接。桥梁2与桥墩之间通过固定支座连接的一端，其主梁板2A端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ3a，共设置2个，而主梁板2A的外端部2C与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ3b，两侧对称设置，各设置1个；桥梁2与桥墩之间通过活动支座连接的一端，其主梁板2A端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ3a，共设置2个，其主梁板2A的外端部2C与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ3b，各设置1个，其底面的钢梁2B与桥墩之间设置液压减振器Ⅲ3c，共设置2个。在桥梁2的两个侧边上还设有挡风板11，挡风板11上部与主梁板2A的外端部2C连接，挡风板11下部与钢梁2B最下面的钢板2D连接，挡风板11的下部与钢板2D之间是通过下紧固件20活动连接的，下紧固件20包括两个互相平行的连接板及螺栓14、连接套16、第一弹簧17、第二弹簧18，两个互相平行的连接板分别为上连接板12和下连接板13，连接套16是由上下平行的上板16A和下板16B及中间的竖板16C组成，上板16A和下板16B均与竖板16C垂直，钢板2D的上下两个面上分别固定设有上压片15A和下压片15B，上连接板12和下连接板13的一端均与挡风板11下部固定连接，螺栓14由上而下依次穿过上连接板12、上板16A、上压片15A、钢板2D、下压片15B、下板16B、下连接板13，在上连接板12与上板16A之间设有第一弹簧17，第一弹簧17套在螺栓14外面，在下压片15B与下板16B之间设有第二弹簧18，第二弹簧18套在螺栓14外面；挡风板11的上部与主梁板2A的外端部2C之间是通过上紧固件19固定连接的，上紧固件19为铆钉。
上述结构抑制桥梁颤振的控制方法为：
a.先采用Fluent软件提供的RANS方法的Realize k-e模型估算出桥梁2断面在颤振临界状态下的扭转振动频率和扭转幅值，根据这些参数设定减振装置的振幅，减振装置的振幅设为扭转幅值的2.3倍；
b.通过传感器7的振动检测单元9检测主梁2的振动情况，再由振动波生成单元10产生主梁2的扭转振动频率和振幅参数；
c.将主梁2的扭转振动频率及振幅参数通过传感器7传递至所述控制器8；
d.由控制器8来调节减振装置3的减震幅度，利用减振装置3的阻尼缓冲作用来抵消主梁2的风致振动效应。
实施例3：
一种抑制桥梁颤振的控制结构，桥梁2包括主梁板2A和位于主梁板2A底部的钢梁2B，在桥梁2的两端、侧面及底面与桥墩之间均设有减振装置3，减振装置3采用液压减振器，在桥梁2的支座上安装有抗震垫6，抗震垫6的组成材料为：丁基橡胶55％、环氧树脂10％、聚丁烯20％、丙纶3％、余量为PVC填料；同时还安装有传感器7和控制器8，而传感器7和控制器8均安装在钢梁2B沿其长度方向的正中央位置的底面上；传感器7包括振动检测单元9、振动波生成单元10，通过传感器7将桥梁2的风致振动情况传递至控制器8，控制器8与所述减振装置3之间通过线路连接，由控制器8来调节减振装置3的减振幅度；桥梁2的一端与桥墩之间通过固定支座连接，另一端与桥墩之间通过活动支座连接。桥梁2与桥墩之间通过固定支座连接的一端，其主梁板2A端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ3a，共设置4个，而主梁板2A的外端部2C与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ3b，两侧对称设置，各设置2个；桥梁2与桥墩之间通过活动支座连接的一端，其主梁板2A端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ3a，共设置4个，其主梁板2A的外端部2C与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ3b，各设置2个，其底面的钢梁2B与桥墩之间设置液压减振器Ⅲ3c，共设置4个。在桥梁2的两个侧边上还设有挡风板11，挡风板11上部与主梁板2A的外端部2C连接，挡风板11下部与钢梁2B最下面的钢板2D连接，挡风板11的下部与钢板2D之间是通过下紧固件20活动连接的，下紧固件20包括两个互相平行的连接板及螺栓14、连接套16、第一弹簧17、第二弹簧18，两个互相平行的连接板分别为上连接板12和下连接板13，连接套16是由上下平行的上板16A和下板16B及中间的竖板16C组成，上板16A和下板16B均与竖板16C垂直，钢板2D的上下两个面上分别固定设有上压片15A和下压片15B，上连接板12和下连接板13的一端均与挡风板11下部固定连接，螺栓14由上而下依次穿过上连接板12、上板16A、上压片15A、钢板2D、下压片15B、下板16B、下连接板13，在上连接板12与上板16A之间设有第一弹簧17，第一弹簧17套在螺栓14外面，在下压片15B与下板16B之间设有第二弹簧18，第二弹簧18套在螺栓14外面；挡风板11的上部与主梁板2A的外端部2C之间是通过上紧固件19固定连接的，上紧固件19为铆钉。
上述结构抑制桥梁颤振的控制方法为：
a.先采用Fluent软件提供的RANS方法的Realize k-e模型估算出颤振临界状态下桥梁2断面的扭转振动频率和扭转幅值，根据这些参数设定减振装置的振幅，减振装置的振幅设为扭转幅值的3.5倍；
b.通过传感器7的振动检测单元9检测主梁2的振动情况，再由振动波生成单元10产生主梁2的扭转振动频率及振幅参数；
c.将主梁2的扭转振动频率及振幅参数通过传感器7传递至所述控制器8；
d.由控制器8来调节减振装置3的减震幅度，利用减振装置3的阻尼和缓冲作用来抵消桥梁2的风致振动效应。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种抑制桥梁颤振的控制结构，其特征在于，所述桥梁(2)包括主梁板(2A)和位于主梁板(2A)底部的钢梁(2B)，在所述桥梁(2)的两端、侧面及底面与桥墩之间均设有减振装置(3)，所述减振装置(3)为液压减振器，在桥梁(2)的支座上安装有抗震垫(6)，同时还安装有传感器(7)和控制器(8)，而传感器(7)和控制器(8)均安装在所述钢梁(2B)沿其长度方向的正中央位置的底面上；所述传感器(7)包括振动检测单元(9)、振动波生成单元(10)，通过传感器(7)将桥梁(2)的风致振动情况传递至所述控制器(8)，控制器(8)与减振装置(3)之间通过线路连接，由控制器(8)来调节减振装置(3)的减振幅度；在所述桥梁(2)的两个侧边上还设有挡风板(11)，所述挡风板(11)上部与主梁板(2A)的外端部(2C)连接，挡风板(11)下部与钢梁(2B)最下面的钢板(2D)连接，所述挡风板(11)的下部与所述钢板(2D)之间是通过下紧固件(20)活动连接的，所述下紧固件(20)包括两个互相平行的连接板及螺栓(14)、连接套(16)、第一弹簧(17)、第二弹簧(18)，所述两个互相平行的连接板分别为上连接板(12)和下连接板(13)，所述连接套(16)是由上下平行的上板(16A)和下板(16B)及中间的竖板(16C)组成，所述上板(16A)和下板(16B)均与所述竖板(16C)垂直，钢板(2D)的上下两个面上分别固定设有上压片(15A)和下压片(15B)，所述上连接板(12)和下连接板(13)的一端均与挡风板(11)下部固定连接，所述螺栓(14)由上而下依次穿过所述上连接板(12)、上板(16A)、上压片(15A)、钢板(2D)、下压片(15B)、下板(16B)、下连接板(13)，在上连接板(12)与上板(16A)之间设有所述第一弹簧(17)，第一弹簧(17)套在螺栓(14)外面，在下压片(15B)与下板(16B)之间设有所述第二弹簧(18)，第二弹簧(18)套在螺栓(14)外面；所述挡风板(11)的上部与主梁板(2A)的外端部(2C)之间是通过上紧固件(19)固定连接的。
2.如权利要求1所述的一种抑制桥梁颤振的控制结构，其特征在于，所述桥梁(2)的一端与桥墩之间通过固定支座连接，另一端与桥墩之间通过活动支座连接。
3.如权利要求1所述的一种抑制桥梁颤振的控制结构，其特征在于，所述桥梁(2)的一端与桥墩之间通过固定支座连接。
4.如权利要求3所述的一种抑制桥梁颤振的控制结构，其特征在于，所述桥梁(2)与桥墩之间通过固定支座连接的一端，其主梁板(2A)端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ(3a)，而主梁板(2A)的外端部(2C)与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ(3b)；桥梁(2)与桥墩之间通过活动支座连接的一端，其主梁板(2A)端面与桥墩之间设置液压减振器Ⅰ(3a)，其主梁板(2A)的外端部(2C)与桥墩之间设置液压减振器Ⅱ(3b)，其底面的钢梁(2B)与桥墩之间设置液压减振器Ⅲ(3c)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的控制结构，其抑制桥梁颤振的方法包括以下步骤：
a.先采用Fluent软件提供的RANS方法的Realize k-e模型估算出桥梁(2)断面在颤振临界状态下的扭转振动频率和扭转幅值，根据这些参数初步设定减振装置(3)的振幅，减振装置(3)的振幅设为H形主梁断面的扭转幅值的1.15-3.5倍；
b.通过传感器(7)的振动检测单元(9)检测桥梁(2)的振动情况，再通过振动波生成单元(10)产生桥梁(2)的扭转振动频率及振幅参数；
c.将桥梁(2)的扭转振动频率及振幅参数通过传感器(7)传递至所述的控制器(8)；
d.由所述控制器(8)来调节所述减振装置(3)的减震幅度，利用减振装置(3)阻尼的缓冲作用来抵消桥梁(2)的风振效应。
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