CN111305042B - 一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法，涉及一种桥梁风振控制方法。选择襟翼并确定尺寸，襟翼形状为流线型，根据桥梁主梁斯托罗哈数、桥梁主梁截面尺寸以及风洞试验确定襟翼的展向安装间距；主梁两侧应对称布置襟翼，综合桥梁尾流区展向涡相互作用区以及风嘴外侧疏导气流区确定襟翼与风嘴的相对位置；襟翼支撑中心为襟翼的形心位置，襟翼绕其中心轴具有扭转刚度和阻尼，在主梁沿展向间隔设置安装轴，襟翼的中心轴开设安装孔转动安装在安装轴上。通过襟翼的展向式布置有效提高颤振临界风速以及大幅削弱涡激振动振幅，提高大跨桥梁抗风能力，结构简单易于实施。

Description

一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法
技术领域
本发明涉及一种桥梁风振控制方法，尤其是一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法，属于桥梁工程领域。
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激振动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流动控制措施。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维护，且没有从根本上解决自激风振的发生。流动控制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，该方式简单经济已广泛应用于实际工程中，包括整流罩、导流板、扰流板、中央稳定板、中央开槽、风嘴等。
但由于目前流动控制形式固定，不能随着风况变化而调节，导致抗风稳定性的提高具有较大的局限性，而且在一些特殊情况下反而会不利于抑制风致振动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法，它通过襟翼的展向式布置可有效提高颤振临界风速以及大幅削弱涡激振动振幅，提高大跨桥梁抗风能力，结构简单易于实施。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法，包括以下步骤：
步骤一：选择襟翼并确定尺寸，襟翼形状为流线型，根据桥梁主梁斯托罗哈数、桥梁主梁截面尺寸以及风洞试验确定襟翼的展向安装间距；
步骤二：主梁两侧应对称布置襟翼，综合桥梁尾流区展向涡相互作用区以及风嘴外侧疏导气流区确定襟翼与风嘴的相对位置；
步骤三：襟翼支撑中心为襟翼的形心位置，襟翼绕其中心轴具有扭转刚度和阻尼，在主梁沿展向间隔设置安装轴，襟翼的中心轴开设安装孔转动安装在安装轴上，扭转刚度在安装轴与襟翼的中心轴通过安装扭转弹簧获得，阻尼由襟翼安装后系统本身自带实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的襟翼为可摆动形式具有风向自适应的功能，可以有效导流疏导气流，并减缓流动分离提高大跨桥梁颤振稳定性，展向分布式布置的襟翼还可作为扰动源来扰乱或破坏主梁尾流大尺度涡从而削弱大跨桥梁的涡激共振，也就是说可兼顾大跨桥梁颤振和涡激振动两种常见的风致振动，有效提高颤振临界风速以及大幅削弱涡激振动振幅，提高大跨桥梁抗风能力，并且襟翼形状简单，个体小，可有效节约成本，不影响行车以及桥梁检修，方法简单高效易于实施，与传统颤振和涡振控制装置相比，具有经济高效、普适性较好的优点，能兼顾多种风振类型。
附图说明
图1是本发明的襟翼与主梁的安装位置示意图；
图2是本发明的襟翼与主梁的安装结构轴测图；
图3是本发明的襟翼的形状示意图；
图4是本发明的襟翼抑制分离与抑制展向涡工作原理的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法，包括以下步骤：
步骤一：选择襟翼并确定尺寸，襟翼形状为流线型参照图3所示，根据桥梁主梁斯托罗哈数、桥梁主梁截面尺寸以及风洞试验确定襟翼的展向安装间距，具体为：
a)襟翼的形状及尺寸参照图3所示，其形状为流线型，取自翼型库，其尺寸选取为襟翼弦长c＝0.2～0.4H，其中H为主梁高度，襟翼宽度b＝0.2～0.8c，襟翼厚度t根据翼型库选择；
b)参照图2所示，襟翼展向间距l的范围根据经验公式获得，即：l＝(0.63～0.84)ls，其中ls＝H·St，H为主梁高度，St为斯托罗哈数，单箱梁St取值范围为0.15～0.25；
c)参照图2所示，襟翼展向间距l的最优值可通过风洞试验得到，即采用测振试验获得不同襟翼展向间距l下主梁模型的振动幅值，比较不同工况下桥梁振动幅值的大小，选择最小的振动幅值所对应的襟翼展向间距l，确定襟翼展向间距l的最优值。
步骤二：由于风向不确定，在主梁两侧应对称布置襟翼，襟翼宜为对称的流线型翼型，襟翼与风嘴的相对位置综合桥梁尾流区展向涡相互作用区以及风嘴外侧疏导气流区确定，具体为：
采用常规CFD数值模拟获得裸梁尾流区旋涡形成长度l0，参照图1所示，襟翼支撑中心与风嘴的距离la应满足0.5c<la<l0+0.5c。
步骤三：襟翼支撑中心为襟翼的形心位置，襟翼绕其中心轴具有扭转刚度和阻尼(扭转频率应低于0.6倍的桥梁一阶扭转频率)，在主梁沿展向(即行车方向)间隔设置安装轴，襟翼的中心轴开设安装孔转动安装在安装轴上，扭转刚度在安装轴与襟翼的中心轴通过安装扭转弹簧获得，阻尼由襟翼安装后系统本身自带实现，在主梁发生大幅振动时，襟翼可以发挥导流板作用，襟翼抑制分离与抑制展向涡工作原理参照图4所示。
本发明的襟翼为可摆动形式具有风向自适应的功能，将其安装在桥梁风嘴前缘与后缘处可起到导流作用，不仅可以推迟分离，提高颤振临界风速，还可以利用在展向(即行车方向)间隔布设的襟翼产生三维展向气流扰动的功能，抑制尾缘漩涡脱落从而控制大跨桥梁的涡激共振。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法，其特征在于：所述风振控制方法包括以下步骤：
步骤一：选择襟翼并确定尺寸，襟翼形状为流线型，襟翼取自翼型库，其尺寸选取为襟翼弦长c=0.2~0.4H，其中H为主梁高度，襟翼宽度b=0.2~0.8c，根据桥梁主梁斯托罗哈数、桥梁主梁截面尺寸以及风洞试验确定襟翼的展向安装间距，襟翼的展向间距为l=（0.63~0.84）l s ，其中l s =H•St，H为主梁高度，St为斯托罗哈数，单箱梁St取值范围为0.15~0.25；
步骤二：主梁两侧应对称布置襟翼，综合桥梁尾流区展向涡相互作用区以及风嘴外侧疏导气流区确定襟翼与风嘴的相对位置，襟翼与风嘴的相对位置的确定采用常规CFD数值模拟获得裸梁尾流区旋涡形成长度l 0 ，襟翼支撑中心与风嘴的距离l a 应满足0.5c<l a <l 0 +0.5c；
步骤三：襟翼支撑中心为襟翼的形心位置，襟翼绕其中心轴具有扭转刚度和阻尼，扭转频率低于0.6倍的桥梁一阶扭转频率，在主梁沿展向间隔设置安装轴，襟翼的中心轴开设安装孔转动安装在安装轴上，扭转刚度在安装轴与襟翼的中心轴通过安装扭转弹簧获得，阻尼由襟翼安装后系统本身自带实现。
2.根据权利要求1所述的一种自适应摆动襟翼的大跨桥梁风振控制方法，其特征在于：所述步骤一中襟翼的展向间距为l，其最优值通过风洞试验得到，采用测振试验获得不同襟翼展向间距l下主梁模型的振动幅值，比较不同工况下桥梁振动幅值的大小，选择最小的振动幅值所对应的襟翼展向间距l，确定襟翼展向间距l的最优值。
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