CN111576261B - 一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，包括：底座、柔性骨架、柔性面板和刚性尖端；所述柔性骨架下端与所述底座连接，上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；所述柔性面板上设置有贯穿所述柔性面板的左右侧壁的透风管。在侧向风的作用下，本发明提供的风屏障被动的向背风一侧发生偏转，以此改变其自身和桥梁结构的气动外形，从而实现导流和改善桥梁的安全性；在风屏障变形的过程中，风屏障的透风率一直保持最优透风率，进而保证了不同风速下行车的安全性和舒适性。因此，本发明提供的风屏障能同时保障强侧风作用下桥梁结构和桥上行车的安全。

Description

一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障

技术领域

本发明涉及桥梁工程领域，特别涉及一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障。

背景技术

随着我国公路和铁路交通网络的不断发展和完善，建设在强风地区的桥梁数量不断增长。在强风作用下，桥梁本身可能出现导致结构毁坏的颤振、危及行车安全的涡激振动和抖振等风致振动。此外，强侧风可能对桥面上的行车安全造成很大的威胁。强侧风可能会使桥上行驶中的汽车发生侧滑和侧倾以及行驶的列车发生脱轨和倾覆等安全事故。因此，需要采取有效措施保证强风作用下桥梁结构和桥上行车的安全。

目前，设置风屏障是提高强侧风作用下行车安全的主要措施。风屏障是抵挡侧风的屏障结构，为桥上车辆提供一个相对低风速的行驶环境。既有风屏障形式多种多样，按照外形能否变化可以分为固定式风屏障和可变形风屏障。固定式风屏障具有不变的透风率和外形，且可能对桥梁本身的抗风性能及受力状态产生不利影响，如增大桥梁气动阻力和产生不利于行车的风致振动等。相对而言，可变形风屏障则可通过改变风屏障的外形来改善桥梁的抗风性能和受力状态。既有的可变形风屏障可分为主动式和被动式两类。主动式可变形风屏障系统需要消耗电能。既有的被动式可变形风屏障一般包含刚性立柱和立柱间的多个弹性可变形或刚性旋转的横向挡风板/条/翼。在外形改变的同时，透风率也随之变化。由于透风率和外形之间的复杂耦合，桥梁本身和风屏障后方的流场变化十分复杂。因此，通过既有的被动式可变形风屏障同时实现桥梁结构和行车抗风安全的最优控制的难度大。

发明内容

本发明所提出的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障是一种被动气动措施，可以根据来流风的特性，被动自适应调整风屏障的整体外形。具体地，风越强，风屏障的顺风侧弯变形越大，风屏障-桥梁的气动外形越接近于流线型气动外形，导流作用越明显，从而自适应改善桥梁的气动外形和受力状态。其仿生依据是：树在不同强度侧风作用下产生不同的侧向弯曲变形而自适应导流。风屏障在侧风作用下，一方面，使一部分气流可以沿着向背风一侧弯曲的风屏障的流线型表面绕过风屏障结构，降低了风屏障和桥梁结构所受的气动阻力，从而提高了桥梁主体结构的稳定性和安全性。另一方面，在风屏障向背风一侧弯曲的过程中，风屏障的透风率基本保持最优透风率不变，保证了不同风速下车辆的最优运行风环境，从而始终保证了行车的安全性和舒适性。本发明所采用的技术方案如下：

一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，包括：底座、柔性骨架、柔性面板和刚性尖端；

所述柔性骨架的下端与所述底座连接，上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；

所述柔性面板上设置有贯穿所述柔性面板的左右侧壁的透风管。

在侧向风的作用下，本发明提供的风屏障被动地向背风一侧发生偏转，被动自适应调整风屏障的整体外形，以此改变其自身和桥梁结构的气动外形，从而实现导流和改善桥梁的气动外形和受力状态，在风屏障顺风侧向弯曲的过程中，风屏障的透风率一直保持最优透风率不变，进而在保证不同风速下车辆的最优运行风环境的同时，降低了风屏障和桥梁结构所受的气动阻力。因此，同时提高了强侧风作用下桥梁结构和桥上行车的安全。

在其中一个实施例中，所述柔性骨架包括柔性柱和刚性肋梁，数个所述刚性肋梁相互对称的设置在所述柔性柱的左、右侧壁上，所述柔性柱的下端与所述底座上端面的中心处连接，上端与所述刚性尖端下端面的中心处连接，所述柔性面板包裹在所述刚性肋梁的外部。

在其中一个实施例中，所述柔性柱的厚度由所述柔性柱的下端至其上端逐渐变小，所述柔性柱的轴向刚度大于其横向刚度；优选的，在正常天气下，柔性柱的轴向刚度能够保持其轴向方向不发生变形，而柔性柱的横向刚度却能使得其可以根据来流风的特性，被动自适应调整风屏障的整体外形。

在其中一个实施例中，数个所述透风管按照矩形阵列的排列方式分布在所述柔性面板上，所述透风管水平设置，所述透风管采用刚性材料制成，所述柔性面板由高弹性材料制成，经过预拉伸包裹在所述刚性肋梁的外部，预拉伸处理是为了提高柔性面板施工后的平面外刚度和减小屈曲。

在其中一个实施例中，所述柔性面板与所述透风管的连接处通过胶水粘接。

在其中一个实施例中，所述柔性柱通过螺栓与所述底座连接。

在其中一个实施例中，所述刚性尖端的下端设置有外径小于其下端面外径的台阶，且所述台阶位于所述柔性面板的内部。

在其中一个实施例中，所述柔性面板与所述台阶之间填充有粘胶。

在其中一个实施例中，所述刚性尖端的下端面与所述台阶之间的高度差等于所述柔性面板的厚度。

与现有技术相比，本发明提供的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障具有以下优点：

首先，与固定式风屏障相比，固定式风屏障一旦安装结构便完全固定不可调节，而本发明提供的可变形的风屏障，可以根据来流风的特性，进行姿态的调整，使一部分气流可以沿着向背风一侧弯曲的风屏障的流线型表面绕过风屏障结构，自适应降低了风屏障和桥梁结构所受的气动阻力，从而提高了桥梁主体结构的稳定性和安全性，也提高了车辆运行的安全性和舒适性；

其次，与既有的主动式可变形风屏障相比，本发明提供的可变形风屏障是一种被动气动措施，不需要额外的能量供给，也没有复杂的机械措施，结构简单，可靠性高，更为安全、经济、可靠；

再次，与既有的被动式可变形风屏障相比，本发明提供的可变形风屏障，在改变外形的同时，不必牺牲最优透风率，在风屏障向背风一侧弯曲的过程中，风屏障的透风率一直保持最优透风率不变，即也不存在变形导流和透风率耦合作用，保证了不同风速下车辆的最优运行风环境，从而始终保证了行车的安全性和舒适性。此外，侧风作用下，风屏障-桥梁的气动外形趋向流线形，使桥梁和风屏障后面的流场相对简单，有利于优化设计；

最后，本发明提供的可变形风屏障是一种自适应结构，在不同风速下，风屏障的变形大小不同，因此，本发明提供的可变形风屏障可以很好地适应各种不同的风场，从而大大提高了其在实际保障强侧风作用下行车安全方面的自适应性。

附图说明

图1是本发明的风屏障的安装结构示意图；

图2是本发明的风屏障变形前的结构示意图；

图3是本发明的风屏障变形后的结构示意图；

图中各标号为：1—底座，2—柔性骨架，21—柔性柱，22—刚性肋梁，3—柔性面板，4—刚性尖端，41—台阶，5—透风管。

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1-3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2所示的方位为准；

一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，包括：底座1、柔性骨架2、柔性面板3和刚性尖端4；

柔性骨架2的下端与底座1连接，上端与刚性尖端4连接；

柔性面板3包裹在柔性骨架2的外部；

柔性面板3上设置有贯穿柔性面板3的左右侧壁的透风管5。

在本实施例中，柔性骨架2包括柔性柱21和刚性肋梁22，数个刚性肋梁22相互对称的设置在柔性柱21的左、右侧壁上，柔性柱21的下端与底座1上端面的中心处连接，上端与刚性尖端4下端面的中心处连接，柔性面板3包裹在刚性肋梁22的外部。

在本实施例中，柔性柱21的厚度由柔性柱21的下端至其上端逐渐变小，柔性柱21的轴向刚度大于其径向刚度。

在本实施例中，数个透风管5按照矩形阵列的排列方式分布在柔性面板3上，透风管5水平设置，透风管5采用刚性材料制成，柔性面板3由高弹性材料制成，经过预拉伸包裹在刚性肋梁22的外部。

在本实施例中，柔性面板3与透风管5的连接处通过胶水粘接。

在本实施例中，柔性柱21通过螺栓与底座1连接。

在本实施例中，刚性尖端4的下端设置有外径小于其下端面外径的台阶41，且台阶41位于柔性面板3的内部。

在本实施例中，柔性面板3与台阶41之间填充有粘胶。

在本实施例中，刚性尖端4的下端面与台阶41之间的高度差等于柔性面板3的厚度。

在本实施例中，柔性骨架2与底座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由柔性柱21和刚性肋梁22组成，柔性柱21位于风屏障结构的中央，而刚性肋梁22离散分布，支撑柔性面板3。

柔性面板3覆盖在刚性肋梁22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3的上下两端分别与台阶41和底座1和紧密粘连在一起，同时，柔性面板3与透风管5的连接处通过胶水粘接，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。

刚性尖端4的下端设置有外径小于其下端面外径的台阶41，柔性面板3同时也包裹在该台阶41的外表面；优选的，柔性面板3与该台阶41的外表面之间填充有粘胶；进一步优选的，刚性尖端41的下端面与该台阶41之间的高度差等于柔性面板3的厚度，由此，柔性面板3包裹在该台阶41的外表面后，柔性面板3与刚性尖端4之间圆弧过渡，使得外观更加美观；最后，设置此台阶41为柔性面板3提供了足够的粘连区域，使得柔性面板3与刚性尖端4之间的连接更加牢固。

本发明提供的仿生可变形风屏障为左右对称结构，以实现可变形风屏障向左、向右同样大小的变形。

工作原理：

如图2所示，无风条件下，风屏障不发生变形，固定于桥梁的两侧，风屏障通过本身的刚度保持直立的姿态；

如图3所示，可根据来流风的方向和大小情况，风屏障被动的向背风一侧发生偏转，被动自适应调整风屏障的整体外形，以此改变其自身的气动外形，一方面，使一部分气流可以沿着顺风侧弯风屏障的流线型表面绕过风屏障结构，降低了风屏障和桥梁结构所受的气动阻力，从而提高了桥梁主体结构的稳定性和安全性。另一方面，在风屏障向背风一侧弯曲的过程中，风屏障的透风率基本保持最优透风率不变，保证了不同风速下车辆的最优运行风环境，从而始终保证了行车的安全性和舒适性。

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)

1.一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，包括：底座(1)、柔性骨架(2)、柔性面板(3)和刚性尖端(4)；

所述柔性骨架(2)的下端与所述底座(1)连接，上端与所述刚性尖端(4)连接；

所述柔性面板(3)包裹在所述柔性骨架(2)的外部；

所述柔性面板(3)上设置有贯穿所述柔性面板(3)的左右侧壁的透风管(5)；

所述柔性骨架(2)包括柔性柱(21)和刚性肋梁(22)，数个所述刚性肋梁(22)相互对称的设置在所述柔性柱(21)的左、右侧壁上，所述柔性柱(21)的下端与所述底座(1)上端面的中心处连接，上端与所述刚性尖端(4)下端面的中心处连接，所述柔性面板(3)包裹在所述刚性肋梁(22)的外部。

2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，所述柔性柱(21)的厚度由所述柔性柱(21)的下端至其上端逐渐变小，所述柔性柱(21)的轴向刚度大于其横向刚度。

3.根据权利要求1所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，数个所述透风管(5)按照矩形阵列的排列方式分布在所述柔性面板(3)上，所述透风管(5)横向设置，所述透风管(5)采用刚性材料制成，所述柔性面板(3)由高弹性材料制成，经过预拉伸包裹在所述刚性肋梁(22)的外部。

4.根据权利要求3所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，所述柔性面板(3)与所述透风管(5)的连接处通过胶水粘接。

5.根据权利要求1所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，所述柔性柱(21)通过螺栓与所述底座(1)连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，所述刚性尖端(4)的下端设置有外径小于其下端面外径的台阶(41)，且所述台阶(41)位于所述柔性面板(3)的内部。

7.根据权利要求6所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，所述柔性面板(3)与所述台阶(41)之间填充有粘胶。

8.根据权利要求6所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，所述刚性尖端(4)的下端面与所述台阶(41)之间的高度差等于所述柔性面板(3)的厚度。

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