CN107741749B - 主动抗风的钢箱梁可动风嘴及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动抗风的钢箱梁可动风嘴及其控制系统，可动风嘴包括安装于伸缩挺杆上的左上可动面板、中上可动面板、右上可动面板、左下可动面板、中下可动面板和右下可动面板，可动面板在机械控制系统的作用下产生平动位移和转动位移，使得钢箱梁线形发生改变；控制系统包括机械控制系统、传感器系统，数据分析处理系统，数据传输系统，机械控制系统控制可动风嘴的平动和转动，传感器系统和机械控制系统通过数据传输系统连接至数据分析处理系统。本发明实现了钢箱梁风嘴外形可变，增强了主梁在各种风环境下的适应性，在大跨度桥梁风致振动控制领域有着广泛的应用前景。

Description

主动抗风的钢箱梁可动风嘴及其控制系统

技术领域

本发明涉及大跨度桥梁风致振动控制系统，尤其涉及主动抗风的钢箱梁可动 风嘴及其控制系统。

背景技术

风灾是一种频繁发生的自然灾害。据统计，我国沿海地区平均每年有登陆台 风7个、引起严重风暴潮灾害6次、最大风速可达60m/s以上。桥梁结构，尤其 是大跨度桥梁是风敏感结构，易受风灾影响。风给桥梁会带来多方面的病害，桥 面振动有可能导致交通中断或使行人丧失安全感，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。随着我国桥梁事业的不断发展，大跨度桥 梁风致振动问题日益突出。其中颤振和涡激振动对桥梁结构影响显著，因此需要 采取有效措施，提高钢箱梁的临界颤振风速，避免涡激共振或限制其振幅在可接 受范围之内。

目前，面向桥梁结构风振控制的方法主要包括：机械减振措施以及空气动力 学措施。机械减振措施主要是采用可调质量阻尼器，由质量块、弹簧与阻尼器组 成的一个复杂的机械装置；它把主梁振动的能量经由弹簧、阻尼器传递到质量块 上，并且在传递过程中耗散振动能量，达到减振目的。空气动力学措施是指在不 改变桥梁结构和使用性能的前提下，适当改变桥梁的外形或者附加一些导流装 置，使主梁断面接近流线形，减轻风致振动。与机械减振措施相比，空气动力学 措施具有减振效果好，成本投入少，实施方便，但是在采用空气动力学措施达不 到预期要求时，则需要增加机械减振措施。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种主动抗风的钢箱梁可动风嘴及其控制系 统，以解决大跨度桥梁的钢箱梁风致振动问题。

技术方案：主动抗风的钢箱梁可动风嘴包括依次安装于机械控制系统中的 上、下伸缩挺杆上的左上可动面板、中上可动面板、右上可动面板、左下可动面 板、中下可动面板和右下可动面板，可动面板均在机械控制系统控制下产生平动 与转动位移，改变可动风嘴形状。

可动风嘴控制系统包括机械控制系统、传感器系统，数据分析处理系统，数 据传输系统，机械控制系统控制可动风嘴的平动和转动，传感器系统与机械控制 系统通过数据传输系统连接至数据分析处理系统。

机械控制系统包括伸缩挺杆、伸缩导轨、伺服电机，其中伸缩挺杆安装于 伸缩导轨上，伸缩导轨安装于风嘴后部的支架上，伺服电机安装于伸缩挺杆与伸 缩导轨的连接处。

传感器系统优化布置于桥塔和钢箱梁上，由气象传感器、位移传感器、加速 度传感器和索力传感器组成。

数据分析处理系统依据存储在其中的数据模型分析处理传感器系统传输的 信息后，发送指令给机械控制系统。

有益效果：与现有技术中固定形状的风嘴和在桥面加装导流装置等传统措施 被动适应风场相比，本发明中钢箱梁可动风嘴使风嘴具有更多的形态，可主动适 应不同风场情况，避免或推迟漩涡脱落的发生，增大主梁竖向振动的气动阻尼， 获得良好的减振效果。本发明不仅在强台风作用下能有效避免或推迟漩涡脱落的 发生，增大主梁竖向振动的气动阻尼，提高箱梁颤振临界风速，而且在中低风速 下能减小钢箱梁振动，缓解结构构件疲劳，延长使用寿命。

附图说明

图1是可动风嘴分布示意图；

图2是可动风嘴局部图；

图3是风嘴控制系统分布示意图；

图4是伸缩挺杆未伸长和伸长图；

图5是伺服电机和伸缩挺杆连接图；

图6是可动风嘴变化形态示例一图；

图7是可动风嘴变化形态示例二图；

图8是可动风嘴变化形态示例三图；

图9是可动风嘴控制系统流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，可动风嘴2由左上可动面板21、中上可动面板22、右 上可动面板23、左下可动面板26、中下可动面板25和右下可动面板24组成， 以上可动面板形状均为前钝后尖，采用钢材或复合材料制造。非强台风时，上下 三片可动面板叠合在一起以避免内部钢箱受到外部大气影响而加速锈蚀；在强台 风作用下时，可动面板在机械控制系统控制下发生平动和转动位移，改变风嘴形 状，优化钢箱梁线形。

如图2、图3所示，风嘴控制系统包括钢箱梁1、可动风嘴2、机械控制系 统3、传感器系统4、数据分析处理系统5、数据传输系统6，其中机械控制系统 3包括上支架31、下支架32、上导轨33、下导轨34、上伸缩挺杆35、下伸缩挺 杆36、上伺服电机37、下伺服电机38，其中上、下导轨和上、下伸缩挺杆均采 用液压或气压方式，上、下伺服电机驱动上、下伸缩挺杆发生较大的转动位移， 上、下导轨伸缩驱动上、下伸缩挺杆和可动面板发生较大的平动位移。每片可动 面板连接两根伸缩挺杆，挺杆的伸长和缩短使可动面板发生平动位移，两根挺杆 的不平衡伸长或缩短亦可使可动面板产生较小的转动位移。

传感器系统4由气象传感器、位移传感器、加速度传感器、索力传感器等组 成。气象传感器测得桥址处风速风向风压等数据，位移传感器和加速度传感器分 别测得钢箱梁的位移和加速度数据，索力传感器测得斜拉索或吊索的索力数据。 这些数据传输至数据分析处理系统5处理分析，同时将此数据存储，形成桥址区 现场实测风环境数据库，用于后期修正升级数据模型。

数据模型的建立是基于现有桥梁风致振动的研究理论，是风嘴如何变化的基 础。根据颤振Scanlan气动表达式：

式中，U为风速；ρ为空气的质量密度；B为桥面宽；K为无量纲频率，其表 达式为K＝Bω/U；ω为振动圆频率；H_i ^*，A_i ^*为气动导数，是无量纲风速 V＝U/(fB)的函数。由于H_i ^*，A_i ^*与桥梁断面几何形状有关，因此只要测定了颤 振导数，就可以依据它计算同一形状断面在任意运动状态中的气动自激力，而颤 振导数的测定则通过风洞实验和计算流体力学模拟来得到。

根据在涡激振动研究理论，当被绕流的物体是一个振动体系时，周期性的涡 激力将引起结构的涡激振动，并且在旋涡脱落频率与结构自振频率一致时将发生 涡激共振。其中涡激频率为：

式中，d为截面投影到与气流垂直的平面上的特性尺度；v为风速；St为Strouhal数。涡激响应对气动外形有十分敏感的特点，调整钢箱梁风嘴的形态可改善钢箱 梁的抗涡振性能。

首先，建立具有可变风嘴的钢箱梁模型；其次，在某一强台风环境下，通过 计算不同的风嘴形状，找出钢箱梁颤振临界风速最高时的风嘴形状，作为与此风 环境对应的钢箱梁风嘴外形；最后，找出不同强台风环境下的钢箱梁风嘴的最优 形状并形成初步的数据模型。在程序计算后，再通过风洞实验进一步修正优化数 据模型。由于涡激振动没有成熟的计算程序，因此在进行钢箱梁风嘴风洞试验时， 同时进行涡激响应分析，调整模型参数。经过程序计算和风洞试验得到各强/台 风风场下的钢箱梁风嘴的最优形状，由此建立数据模型。

如图4和图5所示，上伸缩挺杆35和下伸缩挺杆36采用现有工程制品，在 与上、下导轨连接处安装高质量上伺服电机37和下伺服电机38，与左上可动面 板21、中上可动面板22、右上可动面板23、左下可动面板26、中下可动面板 25和右下可动面板24连接处采用铰接连接。

图6、图7和图8是几种可动风嘴的变化形态，数据分析系统5将布置于桥 塔和钢箱梁1上的传感器系统4传过来的实测数据在计算机里分析处理，形成实 测风场模型。系统将实测风场模型与储存的数据模型进行比对，找出数据模型里 面相似度达到95％及以上的风场，然后将数据模型里储存的风嘴形态处理成指令 传输至机械控制系统3。

如图9所示，传感器系统4测得桥址区风场数据后，借助数据传输系统6 传输给数据分析处理系统5，数据分析处理系统5将信息与数据模型比对后发出 指令给机械控制系统3，在上导轨33、下导轨34、上伸缩挺杆35、下伸缩挺杆 36、上伺服电机37和下伺服电机38控制下，可动面板2产生平动与转动位移， 优化钢箱梁1的线形，使得钢箱梁1的位移与加速度在设定的数据阈值内。当风 环境发生较大改变，即钢箱梁1的位移与加速度超出数据阈值，则整个系统再次 工作。

Claims (4)

1.一种主动抗风的钢箱梁可动风嘴，其特征在于：包括依次安装于机械控制系统(3)中的上、下伸缩挺杆上的左上可动面板(21)、中上可动面板(22)、右上可动面板(23)、左下可动面板(26)、中下可动面板(25)和右下可动面板(24)，所述可动面板均在机械控制系统(3)控制下产生平动与转动位移，改变可动风嘴(2)形状；所述左上可动面板、中上可动面板、右上可动面板与左下可动面板、中下可动面板、右下可动面板叠合，或在机械控制系统控制下发生平动和转动位移，优化钢箱梁线形。

2.一种如权利要求1所述的主动抗风的钢箱梁可动风嘴的控制系统，其特征在于：所述可动风嘴的控制系统包括机械控制系统(3)、传感器系统(4)，数据分析处理系统(5)，数据传输系统(6)，所述机械控制系统(3)控制可动风嘴(2)的平动和转动，所述传感器系统(4)与机械控制系统(3)通过数据传输系统(6)连接至数据分析处理系统(5)；所述机械控制系统(3)包括伸缩挺杆、伸缩导轨、伺服电机，所述伸缩挺杆安装于伸缩导轨上，所述伸缩导轨安装于风嘴后部的支架上，所述伺服电机安装于伸缩挺杆与伸缩导轨的连接处。

3.根据权利要求2所述的主动抗风的钢箱梁可动风嘴控制系统，其特征在于：所述传感器系统(4)由气象传感器、位移传感器、加速度传感器和索力传感器组成，布置于桥塔和钢箱梁(1)上。

4.根据权利要求2所述的主动抗风的钢箱梁可动风嘴控制系统，其特征在于：所述数据分析处理系统(5)依据存储在其中的数据模型分析处理传感器系统传输的信息后，发送指令给机械控制系统(3)。