CN111441234A - 一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，包括：柔性骨架、柔性面板、拉索、滑轮、刚性尖端和电机，本发明所提出的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴是一种主动气动措施，可以根据来流风的特性和桥梁所处的状态，调整风嘴的几何外形，以此改变桥梁的气动外形，提高桥梁抗风性能，以解决大跨度桥梁的风致振动问题。

Description

一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴。

背景技术

随着轻质高强新材料的使用、施工和设计技术的发展和人们对美学要求的提高，现代大跨度桥梁特别是悬索桥和斜拉桥趋向柔性化。柔性桥梁的结构刚度相对较小，对风致振动敏感。风致振动(如颤振、涡振、抖振等)已成为柔性桥梁设计的控制因素之一。因此，需要采取有效措施，提高桥梁的风致振动性能，在其运营风速范围内避免或减少风致振动。

目前，改善桥梁风致振动性能的措施主要分为三类：1)结构措施，即通过合理的结构设计提高结构的刚度，从而提高桥梁的风致振动性能；2)机械措施，即通过在桥梁结构特定位置安装阻尼器来耗散能量，从而抑制桥梁结构的振动；3)气动措施，即通过特定措施来改善桥梁结构的气动外形，从而改善桥梁的抗风性能。

目前，被动气动措施已被广泛应用于桥梁空气动力特性的改善，如设置稳定板、加劲梁开槽、安装导流板和被动控制面等。被动气动措施自适应性差，风洞实验环境验证的措施可能在实际风场环境下控制效果不理想。相对而言，主动气动措施自适应性强、控制效果好、控制设计弹性高，并且可以用于颤振和抖振等多种振动的控制。既有的主动气动措施主要有两种形式：1)安装在主梁迎风侧和背风侧的主动刚性风嘴/控制面，其和主梁之间存在一定空隙以方便刚性风嘴/控制面绕转轴转动；2)通过支架安装在主梁上方或下方一定距离的主动刚性控制面。前一种形式与主梁的空隙将导致附加气动力，有可能降低控制效率，且空隙对转轴等机构的耐久性不利。第二种形式要求控制面与主梁之间的距离足够大，这在实际中很难实现。因此，主动气动控制措施有待进一步研究。

发明内容

本发明所提出的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴是一种主动气动措施，可以根据来流风的特性和桥梁所处的状态，调整风嘴的几何外形，以此改变桥梁的气动外形，提高桥梁抗风性能，以解决大跨度桥梁的风致振动问题。本发明所采用的技术方案如下：

一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，包括：柔性骨架、柔性面板、拉索、滑轮、刚性尖端和电机；

所述柔性骨架一端与主梁节段连接，另一端与所述刚性尖端连接；

所述柔性面板包裹在所述柔性骨架的外部；

所述电机和滑轮设置在主梁节段内部，所述电机用于驱动所述滑轮正反转；

所述拉索设置在所述柔性骨架的内部，所述拉索包含位于所述柔性骨架的中轴线上下侧的两根拉索，两根所述拉索的一端与所述刚性尖端的左侧壁连接、另一端缠绕在所述滑轮上，且两根所述拉索的缠绕方向相反。

在电机的驱动下，当滑轮旋转时，位于柔性骨架中轴线一侧的拉索伸长，另一侧拉索缩短，由此导致拉索中的张力发生变化，从而产生弯矩，可以实现整个风嘴的上下偏转，从而改变整个桥梁结构的气动外形。

在其中一个实施例中，所述柔性骨架包括脊柱梁和肋梁，数个所述肋梁相互对称的设置在所述脊柱梁的上下两侧，所述脊柱梁一端与主梁节段连接，另一端与所述刚性尖端连接，所述柔性面板包裹在所述肋梁的外部。

在其中一个实施例中，所述拉索经过所述肋梁和主梁节段的位置处、所述肋梁和主梁节段上分别设置有供所述拉索穿过的通孔。

在其中一个实施例中，所述柔性面板由高弹性材料制成，经过预拉伸包裹在所述肋梁的外部，可以提高柔性面板的平面外刚度和减小柔性面板的屈曲。

在其中一个实施例中，所述脊柱梁通过螺栓与主梁节段连接。

在其中一个实施例中，所述柔性面板分别与主梁节段以及所述刚性尖端密封连接。

设置刚性尖端为所述柔性面板提供了足够的粘连区域，也为所述拉索提供锚固区域；

在其中一个实施例中，所述电机通过蜗杆蜗轮的传动方式驱动所述滑轮转动；采用蜗轮蜗杆的连接构造，使其具有自锁性，实现反向自锁。

在其中一个实施例中，还包括设在所述主梁节段内部的滑轮轴，滑轮轴承座，蜗杆和涡轮，所述电机的转轴通过轴套与所述蜗杆传动连接，所述滑轮和涡轮套装在所述滑轮轴上，所述滑轮轴的两端分别穿插在所述滑轮轴承座内。

在其中一个实施例中，所述电机的转轴以及所述蜗杆和滑轮轴上延其轴向的方向分别设置有花键，所述轴套，涡轮和滑轮的内壁上分别设置有可与所述花键配合的键槽。

与现有技术相比，本发明提供的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴具有以下优点：

首先，与被动气动措施相比，可变形风嘴可以根据来流风的特性和桥梁所处的状态，进行姿态的调整，从而改变桥梁结构的气动外形，可主动适应不同风场情况，可以很好地改善主梁周围的流场分布，从而抑制桥梁风致振动(如颤振、涡振)；

其次，与主动刚性风嘴相比，可变形风嘴的高度柔性，能产生大幅度的偏转，可获得的姿态更多，可变形风嘴的连续变形提高了气动控制效率，降低了控制系统能耗，从而大大提高了其在实际桥梁风致振动控制方面的适应性；

再次，可变形风嘴结构简单，没有复杂的机械构造，并且固定在桥梁迎风侧和背风侧，相比以往铰接于桥梁的主动刚性风嘴/控制面，更为安全可靠；

最后，可变形风嘴与主梁梁体之间没有间隙，减小由风嘴与主梁的空隙导致的附加气动力，提高了控制效率，还能保护内部结构和设备，防止腐蚀，提高耐久性等。

附图说明

图1是本发明的可变形风嘴的结构示意图；

图2是本发明的可变形风嘴变形后的结构示意图；

图3是本发明的可变形风嘴与主梁节段连接的局部结构立体示意图；

图4是本发明的可变形风嘴与主梁节段的连接侧视图；

图5是本发明的可变形风嘴与主梁节段连接时的变形侧视图；

图6是本发明的可变形风嘴与主梁节段的连接立体结构示意图。

图中各标号为：1—主梁节段，2—柔性骨架，3—脊柱梁，4—肋梁，5—柔性面板，6—拉索，7—滑轮，8—刚性尖端，9—可变形风嘴

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1-6所示，为了便于描述，本发明中的“上”“下”“左”“右”“前”“后”方位基准以附图1所示的方位为准；

一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，包括：柔性骨架2、柔性面板5、拉索6、滑轮7、刚性尖端8和电机；

柔性骨架2一端与主梁节段1连接，另一端与刚性尖端8连接；

柔性面板5包裹在柔性骨架2的外部；

电机和滑轮7设置在主梁节段1内部，电机用于驱动滑轮7正反转；

拉索6设置在柔性骨架2的内部，拉索6包含位于柔性骨架2的中轴线上下侧的两根拉索，两根拉索6的一端与刚性尖端8的左侧壁连接、另一端缠绕在滑轮7上，且两根拉索6的缠绕方向相反。

本实例中，柔性骨架2包括脊柱梁3和肋梁4，数个肋梁4相互对称、间隔均匀的设置在脊柱梁3的上下两侧，脊柱梁3左端与主梁节段1连接，右端与刚性尖端8连接，柔性面板5包裹在肋梁4的外部。

本实例中，拉索6经过肋梁4和主梁节段1的位置处、肋梁4和主梁节段1上分别设置有供拉索6穿过的通孔。

本实例中，柔性面板5由高弹性材料制成，经过预拉伸包裹在所述肋梁4的外部。

本实例中，脊柱梁3通过螺栓与主梁节段1连接。

本实例中，柔性面板5分别与主梁节段1以及刚性尖端8密封连接。

本实例中，电机通过蜗杆蜗轮的传动方式驱动滑轮7转动。

本实例中，还包括设在主梁节段1内部的滑轮轴，滑轮轴承座，蜗杆和涡轮，电机的转轴通过轴套与蜗杆传动连接，滑轮7和涡轮套装在滑轮轴上，滑轮轴的两端分别穿插在滑轮轴承座内。

本实例中，电机的转轴以及蜗杆和滑轮轴上延其轴向的方向分别设置有花键，轴套，涡轮和滑轮7的内壁上分别设置有可与花键配合的键槽。

柔性骨架2与桥梁节段1通过如螺栓等方式固定连接，增强了结构的安全性，柔性骨架2由脊柱梁3和肋梁4组成，脊柱梁3弯曲刚度小，位于风嘴结构的中央，而肋梁4离散分布，支撑柔性面板5。

优选的，一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴设置在主梁节段1的迎风侧和背风侧。

柔性面板5覆盖在肋梁4的外部，对称布置，由高弹性材料制成，经过预拉伸以提高平面外刚度和减小柔性面板屈曲，柔性面板5与桥梁节段1紧密粘连在一起，不留下空隙，以保护内部结构和设备，减少外界干扰，防止腐蚀。

上、下两侧的高强度拉索6对称布置，也经过预拉伸，穿过肋梁4上的孔，反向缠绕在滑轮7上。

滑轮7与电机之间的连接方式，采用蜗轮蜗杆的连接构造，使机构具有自锁性，实现反向自锁。外界荷载想要改变可变形风嘴9的外形，会引起滑轮7的自锁，从而使高强度拉索6的高强度得以增强可变形风嘴9的刚度，使可变形风嘴9在不用增加能量的情况下维持变形的形状。

刚性尖端8的左端设置有外径小于其左端面外径的台阶，柔性面板5同时也包裹在该台阶的外表面；优选的，柔性面板5与该台阶的外表面之间填充有粘胶；进一步优选的，刚性尖端8的左端面与该台阶之间的高度差等于柔性面板5的厚度，由此，柔性面板5包裹在该台阶的外表面后，柔性面板5与刚性尖端8之间圆弧过渡，使得外观更加美观；最后，设置此台阶为柔性面板5提供了足够的粘连区域，使得柔性面板5与刚性尖端8之间的连接更加牢固，也为拉索6提供了足够的锚固区域。

整个可变形风嘴9为对称结构，以实现可变形风嘴向上、向下同样的变形。

工作原理：

无风条件下，可变形风嘴9不工作，固定于主梁节段1的两侧，可变形风嘴9通过蜗轮蜗杆的自锁作用和本身的刚度保持起始的姿态，不需要额外增加能量，如图1、图4所示。

有风条件时，可根据来流风的状态和主梁节段1的振动情况，通过电机驱动可变形风嘴9结构中的滑轮7转动，从而带动可变形风嘴9上下侧其中一侧的拉索6伸长，另一侧的拉索6缩短，导致上、下侧拉索6中的张力发生变化，从而引起可变形风嘴9发生偏转，从而改变主梁节段1两侧可变形风嘴9的外形，以此改善桥梁的气动外形、改变桥梁主梁周围的流场分布，从而抑制桥梁风致振动(如颤振、涡激振动)，如图2、图5所示。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，其特征在于，包括：柔性骨架(2)、柔性面板(5)、拉索(6)、滑轮(7)、刚性尖端(8)和电机；

所述柔性骨架(2)一端与主梁节段(1)连接，另一端与所述刚性尖端(8)连接；

所述柔性面板(5)包裹在所述柔性骨架(2)的外部；

所述电机和滑轮(7)设置在主梁节段(1)的内部，所述电机用于驱动所述滑轮(7)正反转；

所述拉索(6)设置在所述柔性骨架(2)的内部，所述拉索(6)包含位于所述柔性骨架(2)的中轴线上下侧的两根拉索，两根所述拉索(6)的一端与所述刚性尖端(8)的左侧壁连接、另一端缠绕在所述滑轮(7)上，且两根所述拉索(6)的缠绕方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，其特征在于，所述柔性骨架(2)包括脊柱梁(3)和肋梁(4)，数个所述肋梁(4)相互对称的设置在所述脊柱梁(3)的上下两侧，所述脊柱梁(3)一端与主梁节段(1)连接，另一端与所述刚性尖端(8)连接，所述柔性面板(5)包裹在所述肋梁(4)的外部。

3.根据权利要求2所述的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，其特征在于，所述拉索(6)经过所述肋梁(4)和主梁节段(1)的位置处、所述肋梁(4)和主梁节段(1)上分别设置有供所述拉索(6)穿过的通孔。

4.根据权利要求2所述的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，其特征在于，所述柔性面板(5)由高弹性材料制成，经过预拉伸包裹在所述肋梁(4)的外部。

5.根据权利要求2所述的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，其特征在于，所述脊柱梁(3)通过螺栓与主梁节段(1)连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，其特征在于，所述电机通过蜗杆蜗轮的传动方式驱动所述滑轮(7)转动。

7.根据权利要求6所述的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，其特征在于，还包括设置在所述主梁节段(1)内部的滑轮轴，滑轮轴承座，蜗杆，蜗杆轴承座和涡轮，所述电机的转轴通过轴套与所述蜗杆传动连接，所述滑轮(7)和涡轮套装在所述滑轮轴上，所述滑轮轴的两端分别穿插在所述滑轮轴承座内，所述蜗杆的两端分别穿插在所述蜗杆轴承座内。

8.根据权利要求7所述的一种用于抑制桥梁风致振动的可变形风嘴，其特征在于，所述电机的转轴以及所述蜗杆和滑轮轴上延其轴向的方向分别设置有花键，所述轴套，涡轮和滑轮(7)的内壁上分别设置有可与所述花键配合的键槽。

Images