CN107503281B - 基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，其步骤如下：一、根据当地主导风向及风速并结合桥梁截面尺寸，选择涡发生器不同展向安装间距l；二、对于主梁，旋涡发生器对称布置在主梁两侧；对于斜拉索，旋涡发生器安装在斜拉索表面侧风面（以当地主导风向作为风向）。本发明利用桥梁主梁或斜拉索尾流区展向涡的不稳定性，将涡旋发生器作为扰动源用以抑制尾流大尺度展向涡的形成与发展，实现对主梁或斜拉索风致振动的控制。本发明在展向方向以一定间隔设置涡旋发生器，改善主梁或斜拉索绕流场特性，可以有效地抑制或削弱涡激振动的发生，与传统涡激振动控制手段相比，具有安装方便、普适性较好的优点，并且大大节约了材料费用。

Description

基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，涉及一种桥梁主梁或斜拉索绕流控制方法，尤其涉及一种基于旋涡发生器的桥梁抗风控制方法。
背景技术
随着桥梁跨度的不断增长，结构刚度和阻尼不断降低，导致桥梁对风的敏感性增强，颤振、抖振、涡激振动等典型风致作用逐渐成为大跨桥梁设计中需要考虑的关键因素。在大跨桥梁主梁的各种风致作用中，颤振是一种振动响应非常明显的风致振动，一旦发生将具有使桥梁主梁整体坍塌破坏的危险，涡激振动则会引起桥梁结构疲劳破坏。因此，抑制大跨桥梁颤振及涡振一直以来是结构风工程领域学者们关注的重要问题。
通常，大跨桥梁风振控制包括机械措施和气动措施。机械措施主要是通过安装机械装置来增加大跨桥梁结构的阻尼和提高刚度等来减小结构风致振动响应，然而，这需要耗费巨大的人力物力去生产及维护该装置，并且没有从根本上解决自激振动的发生。气动措施包括被动方式与主动方式两种。被动方式是通过改变桥梁主梁断面的气动外形或增加附属来提高大跨桥梁抗风能力。由于该方式简单经济已广泛应用于实际工程中，其中包括整流罩、导流板、扰流板、中央稳定板、中央开槽、襟翼、风嘴等。尽管关于气动控制的被动方式的研究已经开展了很多，但都是基于二维桥梁主梁或斜拉索断面流场进行分析而提出的控制方法，这类方法不仅使用条件有限，而且需要在沿主梁展向方向通常设置控制装置，无疑大大增加了成本。
发明内容
本发明基于钝体尾流的不稳定性并利用旋涡发生器的作为扰动装置，提供了一种基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，该方法不仅简单高效、普适性比较强，而且只需在主梁或斜拉索展方向以一定间隔安装孤立的旋涡发生器即可，大大减小了控制成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，包括如下步骤：
一、根据当地主导风向及风速并结合桥梁截面尺寸，选择涡发生器不同展向安装间距l；
二、对于主梁，旋涡发生器对称布置在主梁两侧；对于斜拉索，旋涡发生器安装在斜拉索表面侧风面（以当地主导风向作为风向）。
本发明具有如下优点：
1、本发明利用桥梁主梁或斜拉索尾流区展向涡的不稳定性，将涡旋发生器作为扰动源用以抑制尾流大尺度展向涡的形成与发展，实现对主梁或斜拉索风致振动的控制。
2、本发明在展向方向以一定间隔设置涡旋发生器，改善主梁或斜拉索绕流场特性，可以有效地抑制或削弱涡激振动的发生，与传统涡激振动控制手段相比，具有安装方便、普适性较好的优点，并且大大节约了材料费用。
附图说明
图1为旋涡发生器安装位置立体图；
图2为旋涡发生器安装位置平面图；
图3为涡旋发生器尺寸；
图4为旋涡发生器控制效果；
图中：1-主梁，2-涡旋发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，由于桥梁断面不同，其在来流作用下的风场特性也不相同，因此该控制方法宜根据具体情况而定，但应遵循以下原则：
1、根据当地主导风向及风速并结合桥梁截面尺寸，选择涡发生器不同展向安装间距l。l求解的具体步骤为：
a、根据经验公式获得间距l的大致范围l =（0.63~0.84）l s ，其中：l为涡发生器展向距离；l s=H•St，H为主梁高度或斜拉索直径，St为斯托罗哈数，单箱梁St取值范围为0.15~0.25，斜拉索St取值为0.2。
b、通过风洞试验或流体动力学数值模拟得到不同展向间距安装旋涡发生器时主梁或斜拉索的升力时程，升力可通过测力传感器直接测量主梁或斜拉索节段模型的气动力得到，然后寻找脉动升力最小的展向间距。
2、由于风向不确定，在主梁两侧应对称布置旋涡发生器；对于斜拉索，旋涡发生器应安装在斜拉索表面侧风面（以当地主导风向作为风向）。如图1和2所示，涡旋发生器位置宜选择在主梁底部靠近尖角处，以便在上游区有减缓流动分离，在下游可以激发出顺风向涡流用以抑制风致振动。如图3所示，旋涡发生器自身参数如下：
a、涡旋发生器高度h应不小于边界层厚度（边界层厚度一般约为0.10~0.16H，具体也可通过数值模拟获得）。
b、旋涡发生器对前缘展向间距l a 与旋涡发生器对后缘展向间距l b 应足够大保证顺向涡之间互不干扰，一般来说l a 与l b 的取值要求较为宽松。首先以平板作为旋涡发生器的载体，然后通过数值模拟获取旋涡发生器后方的涡形态，根据涡形态判别l a 与l b 是否合适。
c、旋涡发生器的单元与来流风夹角应在15~23°，据此可得到旋涡发生器弦长l c 。
本发明对丹麦大贝尔特桥东桥主梁断面进行了风洞试验，验证了该方法对于涡激振动控制的有效性。在该实验中，取旋涡发生器高度h=0.2H（桥梁边界层高度约为0.14H，h>0.14H），其他参数取为l a /H = 0.3、l b /H = 0.7以及l c /H = 0.5，保证了旋涡发生器与来流风的偏角为18°。旋涡发生器展向间距为l=1~5H。控制效果如图4所示，其中横坐标为折减风速U/f v B，纵坐标为桥梁涡激振动的幅值RMS（y）/H，不同记号的折线代表不同安装展向间距l的旋涡发生器。由该图可知，在无控状态下（no control）桥梁主梁发生了强烈的涡激振动，在旋涡发生器安装间距为1~4H时，涡振振幅几乎完全消失，说明本发明的控制效果非常有效。

Claims (7)

1.一种基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、根据当地主导风向及风速并结合桥梁截面尺寸，选择旋涡发生器不同展向安装间距l；所述l求解的具体步骤为：
a、根据经验公式获得间距l的大致范围l=（0.63~0.84）l s ，其中：l为旋涡发生器展向距离；l s =H•St，H为主梁高度或斜拉索直径，St为斯托罗哈数；
b、通过风洞试验或流体动力学数值模拟得到不同展向间距安装旋涡发生器时主梁或斜拉索的升力时程，然后寻找脉动升力最小的展向间距；
二、对于主梁，旋涡发生器对称布置在主梁两侧。
2.根据权利要求1所述的基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，其特征在于单箱梁St取值范围为0.15~0.25，斜拉索St取值为0.2。
3.根据权利要求1所述的基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，其特征在于所述涡旋发生器位置选择在主梁底部靠近尖角处。
4.根据权利要求1或3所述的基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，其特征在于所述旋涡发生器高度h不小于边界层厚度。
5.根据权利要求4所述的基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，其特征在于所述边界层厚度为0.10~0.16H。
6.根据权利要求1或3所述的基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，其特征在于所述旋涡发生器对前缘展向间距l a 与旋涡发生器对后缘展向间距l b 的具体要求如下：首先以平板作为旋涡发生器的载体，然后通过数值模拟获取旋涡发生器后方的涡形态，根据涡形态判别l a 与l b 是否合适。
7.根据权利要求1或3所述的基于旋涡发生器的大跨桥梁风致振动流动控制方法，其特征在于所述旋涡发生器的单元与来流风夹角在15~23°，据此得到旋涡发生器弦长l c 。
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