CN111851330A - 一种压电发电预警的防风障 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电发电预警的防风障，安装在大跨度桥梁的护栏外侧，包括多个依次固定在桥面上的风障立柱、固定在相邻风障立柱之间且间隔设置的多个风障条、用以施加预应力使防风障整体稳固的风障拉索、用以夹紧风障条并采用高强度螺栓固定在风障立柱上的风障夹板，该防风障还包括安装在每个风障条外侧的多个压电陶瓷片、连接压电陶瓷片和警示灯板的连接电路、设置在相邻风障条的间隙处用以测量风速的风速感应装置、用以根据风速控制连接电路通断的电路开关装置以及安装在风障条内侧的警示灯板。与现有技术相比，本发明具有挡风效果良好、电能转化效率高、警示效果良好、有效减低大跨度桥梁的侧风风力，保障桥梁行车的交通安全等优点。

Description

一种压电发电预警的防风障
技术领域
本发明涉及桥梁工程领域，尤其是涉及一种压电发电预警的防风障。
背景技术
桥梁风障是在大风发生地区为降低侧风对桥面行车安全的影响，改善桥面行车环境、提高桥梁有效通行时间，针对大跨度桥梁在桥梁两侧或中央分隔带上设置的装置，汽车在行驶过程中如果受到较大侧风的影响，可能发生侧滑、侧倾等安全问题，影响车辆的安全行驶，研究表明，车辆的稳定对风向、风力大小十分敏感，风造成的倾覆力矩会随着风速的增加以及风向的变化而变化，有资料显示，当风向与大跨度桥梁正交时，发生事故的几率最大，侧风引起的汽车安全事故时有报道，风对行车安全的影响更多的表现在风导致事故造成长时间的交通阻塞，如何提高桥梁使用功能成为继桥梁安全性研究后的另一个急需解决的问题，例如桥面风速达到 24m/s的车辆限行问题、车辆在桥面行驶过程中的侧风稳定性问题等。
增设桥梁风障是降低桥面风速，提高行车舒适性以及桥梁使用功能的主要手段，中国杭州湾大桥、中国香港青马大桥以及法国米约高架桥等大跨度桥梁均加设了风障，实践证明，加设风障确实能提高桥梁的运营效率，但改变风障参数对风障挡风效果的影响是不同的，工程中常通过改变风障的空隙位置、排列方式等参数来改变风障的挡风效果。
另外，加设风障只能减弱而不能完全抵消侧风的影响，实际中驾驶员仍需要通过自身对侧风的风速感知来调整驾驶行为以对抗侧风的不利影响，而往往驾驶员的判断和调整过程对于即时变化的侧风影响来说总是滞后的，大跨度桥梁缺乏直观的对侧风风速的预警方式，导致桥面行车存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压电发电预警的防风障。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种压电发电预警的防风障，安装在大跨度桥梁的护栏外侧，包括多个依次固定在桥面上的风障立柱、固定在相邻风障立柱之间且间隔设置的多个风障条、用以施加预应力使防风障整体稳固的风障拉索、用以夹紧风障条并采用高强度螺栓固定在风障立柱上的风障夹板，该防风障还包括安装在每个风障条外侧的多个压电陶瓷片、连接压电陶瓷片和警示灯板的连接电路、设置在相邻风障条的间隙处用以测量风速的风速感应装置、用以根据风速控制连接电路通断的电路开关装置以及安装在风障条内侧的警示灯板。
所述的压电陶瓷片为PZT高压堆叠压电陶瓷。
所述的警示灯板上设有多个发光二极管，用以实现风速警示。
该防风障的通风率设计为50-70％。
所述的风障条采用采用共挤UV层聚碳酸酯耐力板。
所述的风障夹板和风障条之间设有阻尼橡胶套，用以减小风障条震动。
所述的压电陶瓷片通过简支支撑或悬臂支撑的方式安装在风障条外侧。
当桥梁上的侧风直接作用在压电陶瓷片上时，压电陶瓷片将风能转化为电能，通过连接电路连接至警示灯板上使之发光，并且通过风速感应装置测量通过防风障的风速，当风速处于正常范围时，电路开关装置控制电路断开，警示灯板不发光，当风速超过预设的限值时，电路开关装置控制电路接通，点亮警示灯板进行警示，以保障侧风影响下的行车安全。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明出于对提高大跨度桥梁行车安全性的考虑，参照桥梁风障行业设计规范，设计了一种利用振动吸能并附带发光警示作用的新型防风障，通过实验实际测试，挡风效果良好，利用压电原理发光的警示灯板能发出较亮灯光，警示效果良好，本发明具有吸能性好、电能转化效率高的优点，能有效减低大跨度桥梁的侧风风力，保障桥梁行车的交通安全。
附图说明
图1为本发明的防风障的结构主视图。
图2为本发明的防风障的结构侧视图。
图3为本发明的防风障模型结构尺寸图。
图4为实验中压电片布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的目的是在保证桥梁风障抵抗侧风性能的同时，能够吸收部分风能，降低侧风影响，并且将这部分风能转化发电，用于为警示系统提供电力来提醒过往的车辆注意侧风影响下的行车安全。
瑞典设计公司Belatchew Arkiteker设计了一款吸管摩天大楼，这种建筑的“毛发”是纤细的纤维，被风吹动时能够将动能转化为电能，充分利用高层建筑的风力资源，通过使用压电技术，大量纤细习惯通过风流轻微飘动产生电能，这将使吸管摩天大楼成为未来的城市风力发电厂，并且持续飘动的吸管也能从外观上形成一种波浪状的景观，吸管结构在风中飘动还会使摩天大楼的外观处于变化之中，在夜晚这些吸管会发光，使整个建筑大楼不断变换色彩，本发明受到这栋大楼设计思路的启发，将这种利用风能发电的材料应用到大型桥梁的风障上，这样既可以利用条状材料的震动来减少桥梁风障的受力，也可以将这种风能转化为电能，由于在数量上不可能达到像大楼的量级，因此，本发明的目的并不是进行大规模的发电，而是将产生的电能直接用于桥梁报警系统，用以提示路过的车辆注意安全。
首先找到合适的压电材料，PVDF压电薄膜压电应变常数(d常数)较低，机电偶合系数也较小，但压电电压常数(g常数)却是所有压电体中最高的，除此之外，PVDF压电薄膜具有柔性好、机械强度高、声阻抗易匹配、频响范围宽、能抗化学和油性腐蚀等优良特性，且可加工成大面积和复杂形状的膜使用，PVDF压电薄膜也可以做成条状，但是由于这种材料在国内未能普及，制作工艺复杂，价格过高，达到260元/g，因此，PVDF压电薄膜由于成本太高而放弃使用，因此，本发明选择的材料为PZT高压堆叠压电陶瓷，其容易获取，且压电效率较高，但强度过高且只能在承受轴心受压的时候才能够发电，难以达到像吸管摩天大楼的设计那那种“柳絮状”的效果。因此我们采取一种新的思路：利用风力直接作用在压电陶瓷片上，通过压电陶瓷片来进行发电并点亮发光二极管以达到警示作用。压电陶瓷片的震动可以减小风速，也能够达到减小风能的作用。
然后进行本发明的风障结构设计，目前最常采用的桥梁风障结构形式有A型与B型两类，A型桥梁风障结构设置在桥梁护栏的立柱上，B型桥梁风障结构设置在桥梁护栏的外侧，依据现行的桥梁风障行业标准规范和风洞实验结论，本发明采用B型风障结构，设计的通风率为50％，由于风障条形式、材质对风速减缓影响作用并不显著，并且不属于实验需要考虑的变量，所以为简化模型制作，本例中模型的风障条采用钢材质板型样式，通过测定实验所用的离心通风机提供的稳定风场的范围，从而确定了模型设计所用的比例尺为1:2.5(实际模型：设计模型)。
如图1、2所示，本例中，防风障的结构由以下部件组成：
风障立柱1：固定风障条的柱状构件；
风障条2：固定在相邻的风障立柱1之间，为减小侧风风荷载的水平条形受力构件；
风障拉索3：采用不锈钢丝等材料施加预应力，用以实现桥梁风障整体稳固；
风障夹板：用以以夹紧风障条2并用高强度螺栓固定在风障立柱1上。
阻尼橡胶套：为减小风障条2震动，设置在风障夹板和风障条2之间；
本例中设计的桥梁风障的相关参数如下：
风障条：长1000mm，宽100mm，厚度4mm；
风障立柱：T型立柱，高度800mm，宽70mm&100mm，螺栓孔间距100mm，厚4mm；
支座：长300mm，宽150mm，厚度4mm。
综上，本发明的防风障由防风障主体、压电陶瓷片、连接电路、风速感应装置、电路开关装置、警示灯板组成，防风障主体结构包括风障立柱、风障条、风障拉索、风障夹板、阻尼橡胶套。
压电陶瓷片以简支形式安装在风障条外侧，当风力直接作用在压电陶瓷片上，压电陶瓷片可以将风能转化为电能，通过焊接导线(连接电路)将压电陶瓷片连接到发光二极管(警示灯板)上使之发光，通过风速感应装置，当测量到的风速处于正常范围时，电路开关装置控制连接电路断开，当风速超过预设的限值时，电路开关装置控制连接电路接通，点亮布设在风障条内侧的警示灯板进行警示，保障侧风影响下的行车安全。
实施例：
本发明基于压电原理对风能进行转换，减少风荷载对风障的作用，进而间接减小对桥梁结构的作用，并利用风能转化为电能对来往车辆进行预警提示，为了验证风障性能和警示功能进行实验检验。
如图3、4所示，实验采用的压电材料为高性能压电陶瓷，在±35°范围内振动可以较高效地进行能量转化，以往压电陶瓷性能测试常用的几种支撑方式有悬臂支撑、周边固定支撑、自由边界支撑、简支支撑，通过实验测定，采用悬臂支撑与简支支撑时，转换效果较好。
理想模型拟在风障条外侧以简支形式安置压电陶瓷片，内侧布置警示灯板，当风速处于正常范围时，不接通电路，当风速超过一定限值时，接通电路，通过内侧警示灯板进行警示，实验所用离心通风机提供的风场具有一定的局限性，只能在局部位置提供理想实验风速，所以实验模型采用转换效率最高的悬臂支撑形式，对大面积LED灯板供能需要较多的压电材料进行能量转换，而实验经济条件并不允许。所以实验模型只能改LED灯板的形式为LED灯珠贴片，模拟警示效果。
本实验的目的是评估风障对风速的削弱程度以及风障装上振动发光装置后整体的吸能效果，实验设备包括离心通风机、风速测速仪、压电片、发光二极管、风障模型等，实验步骤如下：
A)放置离心通风机和风障，限制离心通风机的移动，将风障固定在地面上。
B)接通离心通风机电源，等待至其转动稳定，风速均匀。
C)利用风速测速仪测试出离心通风机出风口、风障前和风障后的风速。
D)关闭离心通风机电源，在风障上安装压电片和发光二极管。
E)接通离心通风机电源，运行稳定后重复步骤C。
实验结论：
(1)通风机风速损失率：
由于离心通风机出风口较小，周围空气流速小，从出风口进入空气中的风受到极大阻力，能量损失较大，风速降低较快，实测计算得到通风机风速损失率为45％。
(2)原始风障挡风性能：
风速测量位置位于风障装置下侧两块风障条之间的通风空隙处，原因是此处的风是作用在汽车上的主要风源，风障条背后风速很小，此处的风没有直接受到风障条阻挡，所以风速减弱效果较不明显，根据所测数据，可以算得该风障的抗风系数 (经过风障后风速损失值与风障前风速比值)为0.13。
(3)安装压电片风障的挡风性能
加设压电片后风障的抗风系数提升为0.44，相比原始的0.13提升较多。
综上所述，安装了压电陶瓷片的新型风障比起普通风障可以有效地减小风能作用，并且转化一部分为电能，点亮警示灯板以警示路过车辆，有效提升交通安全。
本文中所描述的具体实施案例仅是对本发明的构思作举例说明。本发明所属技术的技术人员可以对所描述的具体实施例进行各类的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种压电发电预警的防风障，安装在大跨度桥梁的护栏外侧，包括多个依次固定在桥面上的风障立柱(1)、固定在相邻风障立柱(1)之间且间隔设置的多个风障条(2)、用以施加预应力使防风障整体稳固的风障拉索(3)、用以夹紧风障条(2)并采用高强度螺栓固定在风障立柱(1)上的风障夹板，其特征在于，该防风障还包括安装在每个风障条(2)外侧的多个压电陶瓷片、连接压电陶瓷片和警示灯板的连接电路、设置在相邻风障条(2)的间隙处用以测量风速的风速感应装置、用以根据风速控制连接电路通断的电路开关装置以及安装在风障条(2)内侧的警示灯板。
2.根据权利要求1所述的一种压电发电预警的防风障，其特征在于，所述的压电陶瓷片为PZT高压堆叠压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种压电发电预警的防风障，其特征在于，所述的警示灯板上设有多个发光二极管，用以实现风速警示。
4.根据权利要求1所述的一种压电发电预警的防风障，其特征在于，该防风障的通风率设计为50-70％。
5.根据权利要求1所述的一种压电发电预警的防风障，其特征在于，所述的风障条(2)采用共挤UV层聚碳酸酯耐力板。
6.根据权利要求1所述的一种压电发电预警的防风障，其特征在于，所述的风障夹板和风障条(2)之间设有阻尼橡胶套，用以减小风障条震动。
7.根据权利要求1所述的一种压电发电预警的防风障，其特征在于，所述的压电陶瓷片通过简支支撑或悬臂支撑的方式安装在风障条(2)外侧。
8.根据权利要求1所述的一种压电发电预警的防风障，其特征在于，当桥梁上的侧风直接作用在压电陶瓷片上时，压电陶瓷片将风能转化为电能，通过连接电路连接至警示灯板上使之发光，并且通过风速感应装置测量通过防风障的风速，当风速处于正常范围时，电路开关装置控制电路断开，警示灯板不发光，当风速超过预设的限值时，电路开关装置控制电路接通，点亮警示灯板进行警示，以保障侧风影响下的行车安全。
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