CN112064488B - 桥梁涡振的气动调节构造 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥梁涡振的气动调节构造，在桥梁施工过程中，在主梁的相对两侧面中至少一侧面上安装调节结构。当气流吹向主梁的一侧面时，气流会先与调节结构接触，并在调节结构上流动。由于调节结构上设有进风口，因此，部分气流会从进风口流入调节腔内，使得气流经过调节结构时的流动路径发生改变。同时，在进风口内设有第一扰流件，随着气流的流动，第一扰流件在进风口内发生转动，动态地改变调节结构的风攻角，扰乱气流在调节结构内外的流动路径，有效改变主梁周围的气动外形和绕流形态，避免主梁上的漩涡发生规律性地脱落，有效控制大跨度桥梁的涡振现象发生。此外，涡振控制中，无需额外投入阻尼器等设备，大大降低桥梁的涡振控制设备成本。

Description

桥梁涡振的气动调节构造

技术领域

本发明涉及桥梁建筑技术领域，特别是涉及桥梁涡振的气动调节构造。

背景技术

桥梁涡振是由风场经过桥梁结构时产生的有规则的旋涡脱落引起的限幅振动，涡振发生在风速较低的情况下，是旋涡脱落频率与桥梁固有频率接近时的共振现象。

桥梁的涡振控制措施目前主要有气动措施、结构措施与机械措施，其中，气动措施虽然简单有效，但是传统的气动措施需要通过风洞试验验证而风洞试验又是缩尺模型忽略了雷诺数效应，无法准确地预测实际大跨度桥梁的涡振控制效果。机械措施通常加载TMD阻尼器(Tuned Mass Damper，译为调频质量阻尼器)提高结构阻尼，但是属于补救型措施，而且存在经济性问题，结构措施主要是增加结构刚度，主要是在设计阶段中考虑。因此，针对传统的气动措施和机械措施在控制桥梁风振问题上均存在一定的不足。

发明内容

基于此，有必要提供一种桥梁涡振的气动调节构造，通过多种互补气动措施全方面改变桥梁结构的气动外形和绕流形态，实现经济、有效控制大跨度桥梁的涡振现象发生。

一种桥梁涡振的气动调节构造，所述桥梁涡振的气动调节构造包括：主梁；调节结构，所述主梁的相对两侧面中至少一侧设有调节结构，所述调节结构内设有调节腔，所述调节结构上设有与所述调节腔连通的进风口；及第一扰流件，所述第一扰流件位于所述进风口内，且所述第一扰流件可转动装设在所述进风口的内壁上。

上述的桥梁涡振的气动调节构造，在桥梁施工过程中，在主梁的相对两侧面中至少一侧面上安装调节结构。当气流吹向主梁的一侧面时，气流会先与调节结构接触，并在调节结构上流动。由于调节结构上设有进风口，因此，部分气流会从进风口流入调节腔内，使得气流在调节结构表面上的流动路径发生改变。同时，在进风口内转动设有第一扰流件，随着气流的流动，第一扰流件在进风口内发生转动，动态地改变调节结构的风攻角，扰乱气流在调节结构内外的流动路径，有效改变主梁周围的气动外形和绕流形态，避免主梁上的漩涡发生规律性地交替脱落，有效控制大跨度桥梁的涡振现象发生。此外，本方案在涡振控制过程中，无需额外投入阻尼器等设备，大大降低桥梁的涡振控制设备成本，使得涡振控制过程经济、有效。

在其中一个实施例中，所述第一扰流件为至少两个，至少两个所述第一扰流件在所述进风口内并列间隔设置。

在其中一个实施例中，所述调节结构上设有第一导流面与第二导流面，所述第一导流面用于将气流引导至所述主梁的上表面，所述第二导流面用于将气流引导至所述主梁的下表面，所述第一导流面与所述第二导流面中至少一个上设有所述进风口。

在其中一个实施例中，所述调节结构包括间隔装设在所述主梁上的第一调节件与第二调节件，所述第一调节件与所述第二调节件连接，且成夹角设置，所述第一调节件、所述第一调节件及所述主梁围合形成所述调节腔，所述第一导流面设置于所述第一调节件上，所述第二导流件设置于所述第二调节件上。

在其中一个实施例中，所述桥梁涡振的气动调节构造还包括扰流结构，所述扰流结构装设在所述主梁的上表面上，所述扰流结构用于对所述主梁的上表面的气流进行干扰。

在其中一个实施例中，所述扰流结构包括支护架与第二扰流件，所述第二扰流件可转动装设在所述支护架上。

在其中一个实施例中，所述扰流结构还包括可转动装设在所述支护架上的第三扰流件，所述第三扰流件与所述第二扰流件隔开设置，且所述第三扰流件的转动轴线与所述第二扰流件的转动轴线相交分布。

在其中一个实施例中，所述第二扰流件为至少两个，至少两个所述第二扰流件在所述支护架上并列间隔设置。

在其中一个实施例中，所述桥梁涡振的气动调节构造还包括检修平台，所述检修平台装设在所述主梁的下表面上，所述检修平台能沿着所述主梁的宽度方向移动。

在其中一个实施例中，所述主梁上设有导轨，所述导轨沿着所述主梁的宽度方向设置，所述检修平台上设有与所述导轨滑动配合的滑动轮。

在其中一个实施例中，所述主梁包括箱梁及两个风嘴，两个所述风嘴分别设置于所述箱梁的相对两侧上，两个所述风嘴中至少一个设有所述调节结构。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中所述的气动调节构造示意图；

图2为一个实施例中所述的调节结构示意图；

图3为一个实施例中所述的调节结构局部放大示意图；

图4为一个实施例中所述的转动后调节结构局部放大示意图；

图5为一个实施例中所述的扰流结构局部放大示意图；

图6为一个实施例中所述的转动后扰流结构局部放大示意图；

图7为一个实施例中所述的检修平台结构示意图；

图8为一个实施例中所述的检修平台与连接件之间结构配合示意图。

100、气动调节构造，110、主梁，111、箱梁，1111、上表面，1112、下表面，112、风嘴，113、导轨，120、调节结构，121、调节腔，122、进风口，123、第一调节件，1231、第一导流面，124、第二调节件，1241、第二导流面，130、第一扰流件，131、第一转轴，140、扰流结构，141、支护架，142、第二扰流件，143、第二转轴，144、第三扰流件，145、第三转轴，150、检修平台，151、滑动轮，160、连接件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在一个实施例中，请参考图1至图3，一种桥梁涡振的气动调节构造100，桥梁涡振的气动调节构造100包括主梁110、调节结构120及第一扰流件130，主梁110的相对两侧面中至少一侧设有调节结构120，调节结构120内设有调节腔121，调节结构120上设有与调节腔121连通的进风口122；及第一扰流件130，第一扰流件130位于进风口122内，且第一扰流件130可转动装设在进风口122的内壁上。

上述的桥梁涡振的气动调节构造100，在桥梁施工过程中，在主梁110的相对两侧面中至少一侧面上安装调节结构120。当气流吹向主梁110的一侧面时，气流会先与调节结构120接触，并在调节结构120上流动。由于调节结构120上设有进风口122，因此，部分气流会从进风口122流入调节腔121内，使得气流在调节结构120表面上的流动路径发生改变。同时，在进风口122内转动设有第一扰流件130，随着气流的流动，第一扰流件130在进风口122内发生转动，动态地改变调节结构120的风攻角，扰乱气流在调节结构120内外的流动路径，有效改变主梁110周围的气动外形和绕流形态，避免主梁110上的漩涡发生规律性地交替脱落，有效控制大跨度桥梁的涡振现象发生。此外，本方案在涡振控制过程中，无需额外投入阻尼器等设备，大大降低桥梁的涡振控制设备成本，使得涡振控制过程经济、有效。

可选地，主梁110可设计为闭口箱梁结构，也可设计为开槽箱梁结构或者开口箱梁或者组合梁，即本实施例的气动调节构造既能应用于大跨度闭口箱梁桥梁上，也可应用于大跨度开槽箱梁、开口箱梁或者组合梁桥梁上。

需说明的是，进风口122内可设置一个第一扰流件130，还可设置多个第一扰流件130。当第一扰流件130为多个时，多个第一扰流件130并列间隔设置。当然，调节结构120上的进风口122也可为一个，还可为多个。当进风口122为多个时，多个进风口122在调节结构120上间隔设置。此外，不同进风口122内的第一扰流件130的摆放方向可保持一致，也可不一致，相互相交设置。

进一步地，请参考图3，第一扰流件130为至少两个。至少两个第一扰流件130在进风口122内并列间隔设置，如此，在同一进风口122中，增加第一扰流件130的数量，提高调节结构120上的气流扰动力度，加大对主梁110上的气动外形和绕流形态的影响，使得主梁110上的漩涡结构更加无规律性，从而进一步控制大跨度桥梁的涡振现象发生。

更进一步地，请参考图3与图4，第一扰流件130通过第一转轴131可转动装设在进风口122的内壁上，如此，通过第一转轴131，使得第一扰流件130在进风口122内稳定转动。

需要说明的是，第一扰流件130通过第一转轴131转动装设在进风口122的内壁上的方式可为：第一转轴131固定安装在进风口122的内壁上，第一扰流件130套设在第一转轴131上；或者，第一转轴131可转动装设在进风口122的内壁上，第一扰流件130固定安装在第一转轴131上。

在一个实施例中，请参考图1与图2，调节结构120上设有第一导流面1231与第二导流面1241。第一导流面1231用于将气流引导至主梁110的上表面1111。第二导流面1241用于将气流引导至主梁110的下表面1112。第一导流面1231与第二导流面1241中至少一个上设有进风口122。由此可知，在调节结构120上分别设置两种导流面，通过该两种导流面，分别将气流导流至主梁110的上表面1111和下表面1112上，如此，使得主梁110端面更加趋于流线型，减小主梁110端面的阻力，从而有利于控制桥梁涡振现象的发生。

需要说明的是，调节结构120的外形具有多种形状，对此，本实施例不具体限定，只需满足调节结构120上具有第一导流面1231与第二导流面1241，并能通过第一导流面1231与第二导流面1241将气流分别导流至主梁110的上表面1111和下表面1112上。比如：调节结构120的横截面形状为三角形、梯形、椭圆的一部分等。

具体地，请参考图1与图2，第一导流面1231与主梁110的上表面1111连接，第二导流面1241与主梁110的下表面1112连接。同时，第一导流面1231与第二导流面1241均沿着主梁110的长度方向延伸设置。其中，为了便于理解主梁110的长度方向，以图1为例，主梁110的长度方向为图1中所示沿着垂直纸张向内或者向外的方向。

进一步地，请参考图2，第一导流面1231与第二导流面1241均设有进风口122，当气流从第一导流面1231上的进风口122进入至调节腔121内时，气流会从第二导流面1241上的进风口122流出；而当气流从第二导流面1241上的进风口122进入至调节腔121内时，气流会从第一导流面1231上的进风口122流出。如此，使调节结构120上下侧气流互动流通，避免上下侧尺度相当的漩涡发生规律性地交替脱落。

在一个实施例中，请参考图2，调节结构120包括间隔装设在主梁110上的第一调节件123与第二调节件124。第一调节件123与第二调节件124连接，且成夹角设置。第一调节件123、第一调节件123及主梁110围合形成调节腔121。第一导流面1231设置于第一调节件123上。第二导流件设置于第二调节件124上。由此可知，本实施例的调节结构120呈或者近似呈三角形结构，这样，使得主梁110断面更加流线型，有效改善主梁110上表面1111和下表面1112的气流分离和绕流形态，大大减少桥梁涡激共振现象的发生。

具体地，请参考图2，第一调节件123与第二调节件124均为板状结构，且第一调节件123与第二调节件124均沿着主梁110的长度方向延伸设置。其中，需要说明的是，调节结构120的相对两端可为敞开结构，也可为密封结构。

在一个实施例中，请参考图1，桥梁涡振的气动调节构造100还包括扰流结构140。扰流结构140装设在主梁110的上表面1111上，扰流结构140用于对主梁110的上表面1111的气流进行干扰。由此可知，本实施例既在主梁110的上表面1111设置扰流结构140，又在主梁110的侧面增设调节结构120。当桥梁因气流引起较大的风振动时，扰流结构140与调节结构120共同作用，改变主梁110的上表面1111的漩涡形成和发展，共同改变漩涡脱落的频率，使得大跨度桥梁不发生涡振现象。

进一步地，请参考图5与图6，扰流结构140包括支护架141与第二扰流件142。第二扰流件142可转动装设在支护架141上。本实施例的第二扰流件142可自由转动，即不加干预；也可人工转动控制。当不加干预时，第二扰流件142随气流流速的变化而改变改变转动频率，不同调节第二扰流件142的转动角度，从而有效改变主梁110上表面1111漩涡尺寸，实现扰流效果。当人工进行控制转动时，第二扰流件142则处于特定角度，对气流起着定向导流作用，从而有效改善主梁110上表面1111的气流分离和绕流形态。此外，当桥梁发生较大的振动时，第二扰流件142也会随之发生振动，通过不断地自我调整扰流结构140形状，使得主梁110上表面1111的漩涡结构不停地变化，有效避免主梁110上表面1111涡振现象的发生。

需要说明的是，第二扰流件142在支护架141上的转动方式有多种，比如，第二扰流件142的旋转平面与气流流动方向垂直，即第二扰流件142为风扇、叶轮等结构；或者，第二扰流件142的旋转平面与气流流动方向平行；又或者，第二扰流件142的旋转平面与气流流动方向相交等。

更进一步地，请参考图5，第二扰流件142通过第二转轴143可转动装设在支护架141上，如此，通过第二转轴143，使得第二扰流件142在支护架141上稳定转动。

在一个实施例中，请参考图5，扰流结构140还包括可转动装设在支护架141上的第三扰流件144。第三扰流件144与第二扰流件142隔开设置，且第三扰流件144的转动轴线与第二扰流件142的转动轴线相交分布。由此可知，支护架141上分布两种转动方向不同的扰流件，如此，通过不同转动方向的扰流件，使得流经第一扰流件130和第二扰流件142上的气流流向均不相同，从而加剧主梁110的上表面1111漩涡生成和发展的干扰。

具体地，请参考图5，第二扰流件142与第三扰流件144在支护架141的高度方向隔开设置，即，第二扰流件142分布在支护架141的上部分，第三扰流件144分布在支护架141的下部分；或者，第二扰流件142分布在支护架141的下部分，第三扰流件144分布在支护架141的上部分。此外，第三扰流件144的转动轴线与第二扰流件142的转动轴线垂直分布。

进一步地，请参考图5，第三扰流件144通过第三转轴145可转动装设在支护架141上，如此，通过第三转轴145，使得第三扰流件144在支护架141上稳定转动。同时，第三转轴145与第二转轴143分别在支护架141上的摆放方向相交设置。

在一个实施例中，请参考图5，第二扰流件142为至少两个。至少两个第二扰流件142在支护架141上并列间隔设置。如此，增加第二扰流件142的数量，提高扰流结构140上的气流扰动力度，加大对主梁110上的气动外形和绕流形态的影响，使得主梁110上的漩涡结构更加无规律性，进一步控制大跨度桥梁的涡振现象发生。

进一步地，请参考图5，第三扰流件144为至少两个。至少两个第三扰流件144在支护架141上并列间隔设置。

在一个实施例中，请参考图1，桥梁涡振的气动调节构造100还包括检修平台150。检修平台150装设在主梁110的下表面1112上，检修平台150能沿着主梁110的宽度方向移动。当桥梁发生较大的竖向或扭转振动时，检修平台150沿着主梁110的宽度方向移动到特定的位置，以实现干扰局部漩涡结构的效果，减小主梁110在涡振过程中的振幅，有效避免涡激共振现象的发生。同时，在检修作业过程张工，检修人员在检修平台150上施工作业，满足日常检修需求。相比传统挂篮式检修车的断点式检修，本实施例的检修平台150可以实现覆盖式检修，避免工程死角。此外，相比利用桥上大汽车牵引的检修车，本检修平台150不会占用桥面空间，也不会挡道吊索和斜拉索。

需要说明的是，本实施例不具体限定检修平台150的结构，只需满足检修人员能站立在检修平台150上对桥梁进行检修作业即可。比如：检修平台150可为钢管桁架结构梁或者钢筋混凝土结构梁等。

具体地，桥梁涡振的气动调节构造100同时包括调节结构120、扰流结构140及可移动的检修平台150，构成三个可调节气动结构。在桥梁发生颤振的过程中，这三个可调节气动措施可以随着风速的增大或桥梁的大幅振动而显著改变自身结构的参数，显著影响主梁110的周围绕流状态和气动阻尼，提高了桥梁的颤振临界风速和提升了桥梁的颤振性能。同时，在桥梁竖向或扭转涡振的振动过程中，这三个可调节气动措施可以随着桥梁的自限幅振动而不断地改变自身结构的参数，共同影响主梁110周围的漩涡产生和发展，不断地改变漩涡脱落的频率并实现涡激共振的有效抑制，有效解决大跨度桥梁的颤振和涡振控制问题。

进一步地，请参考图7，主梁110上设有导轨113。导轨113沿着主梁110的宽度方向设置，检修平台150上设有与导轨113滑动配合的滑动轮151，如此，通过滑动轮151与导轨113配合，使得检修平台150更加平稳移动，有利于提高检修作业的稳定性。此外，相比于传统检修车，本实施例只在主梁110的下表面1112安装小巧的直线导轨113，使检修平台150在主梁110下方来回移动，从而使得检修人员能在平台上沿桥纵向进行全方位检查。同时，也有利于减轻桥梁的负重。

具体地，主梁110上还设有电机(未示出)，用于驱使检修平台150在导轨113上来回移动。

更进一步地，请参考图8，导轨113通过连接件160与主梁110的下表面1112连接，使得检修平台150稳定悬挂于主梁110的下方。

在一个实施例中，请参考图1，主梁110包括箱梁111及两个风嘴112。两个风嘴112分别设置于箱梁111的相对两侧上。两个风嘴112中至少一个设有调节结构120。由此可知，主梁110的相对两侧面也可理解为风嘴112的表面。

需要说明的是，箱梁111可为闭口箱梁，也可为开槽箱梁或开口箱梁或组合梁。其中，开槽箱梁为两个箱梁111之间开设有中央开槽。

具体地，请参考图1，两个风嘴112上均设有调节结构120。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，除非另有明确的限定。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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

Claims (1)

1.一种桥梁涡振的气动调节构造，其特征在于，所述桥梁涡振的气动调节构造包括：主梁；调节结构，所述主梁的相对两侧面中至少一侧设有调节结构，所述调节结构内设有调节腔，所述调节结构上设有与所述调节腔连通的进风口；及第一扰流件，所述第一扰流件位于所述进风口内，且所述第一扰流件通过第一转轴可转动装设在所述进风口的内壁上，所述第一扰流件为至少两个，至少两个所述第一扰流件在所述进风口内并列间隔设置,随着气流的流动,第一扰流件在进风口内发生转动,动态地改变调节结构的风攻角；所述调节结构上设有第一导流面与第二导流面，所述第一导流面用于将气流引导至所述主梁的上表面，所述第二导流面用于将气流引导至所述主梁的下表面，所述第一导流面与所述第二导流面均设有所述进风口；当气流从第一导流面上的进风口进入至调节腔内时，气流从第二导流面上的进风口流出；当气流从第二导流面上的进风口进入至调节腔内时，气流从第一导流面上的进风口流出；所述桥梁涡振的气动调节构造还包括扰流结构，所述扰流结构装设在所述主梁的上表面上，所述扰流结构用于对所述主梁的上表面的气流进行干扰；扰流结构包括支护架与第二扰流件，所述第二扰流件可自由转动装设在所述支护架上，所述第二扰流件随气流流速的变化而改变转动频率，调节第二扰流件的转动角度；所述扰流结构还包括可转动装设在所述支护架上的第三扰流件，所述第三扰流件与所述第二扰流件隔开设置，且所述第三扰流件的转动轴线与所述第二扰流件的转动轴线相交分布；所述桥梁涡振的气动调节构造还包括检修平台，所述检修平台装设在所述主梁的下表面上，所述检修平台能沿着所述主梁的宽度方向移动，当桥梁发生较大的竖向或扭转振动时，所述检修平台沿着主梁的宽度方向移动到特定的位置，以实现干扰局部漩涡结构的效果；所述调节结构包括间隔装设在所述主梁上的第一调节件与第二调节件，所述第一调节件与所述第二调节件连接，且成夹角设置，所述第一调节件、所述第一调节件及所述主梁围合形成所述调节腔，所述第一导流面设置于所述第一调节件上，所述第二导流件设置于所述第二调节件上，所述主梁上设有导轨，所述导轨沿着所述主梁的宽度方向设置，所述检修平台上设有与所述导轨滑动配合的滑动轮，所述主梁包括箱梁及两个风嘴，两个所述风嘴分别设置于所述箱梁的相对两侧上，两个所述风嘴中至少一个设有所述调节结构，其中，所述箱梁为闭口箱梁或开口箱梁。

Images