CN112411369B - 一种可调透风率的桥梁栏杆结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调透风率的桥梁栏杆结构，包括至少两个立柱，立柱上设置有至少一个第一驱动机构和至少一个第二驱动机构，相邻立柱之间设置有栏杆组件，栏杆组件包括沿竖直方向连接的多个栏杆板，第一驱动机构能够驱动多个栏杆板绕水平方向旋转，第二驱动机构能够驱动多个栏杆板沿竖直方向运动。本发明能够基于调整栏杆板的倾角实现透风率的连续调整，可以更加精确控制栏杆结构的透风率，能够将所有的栏杆板上升到顶部，无需调整桥梁断面形式就可以做到动态调整桥梁气动性能，可以针对涡振、颤振等振动形式使用有针对性的栏杆形态进行抑制和消除；能够在保证不增加桥梁其它附属设施的前提下，达到最优的风致振动控制效果，达到经济适用效果。

Description

一种可调透风率的桥梁栏杆结构

技术领域

本发明涉及桥梁结构技术领域，尤其涉及一种可调透风率的桥梁栏杆结构。

背景技术

随着桥梁跨径的增加，桥梁的风致振动逐渐成为了大跨度桥梁必须要考虑的因素之一。风致振动的主要振动形式主要分为颤振、涡振和抖振。颤振是一种桥梁主要的气动弹性不稳定现象，是一种在高风速下发生的扭转发散振动或弯扭耦合复合的发散振动，一旦发生会产生桥梁结构的灾难性破坏。涡振是一种大跨度桥梁在低风速下很容易出现的一种风致振动的现象，但是由于结构的振动会对此时的涡脱形成某种反馈作用，使得涡振振幅受到限制，因此涡振是一种限幅振动，但是长期的振动会导致桥梁发生疲劳损伤，影响行车安全性和舒适性。抖振是指桥梁在紊流场作用下的随机振动。由于目前抖振在行车风速下产生的振幅较涡振偏小，目前桥梁抗风控制以提高桥梁颤振临界风速同时限制桥梁涡振振幅为主。

桥梁在出现风振时，可以采取多种减振措施。主要可以分为三类：结构措施、气动措施和机械措施。结构措施通过调整结构整体布置、优化结构动力特性，由此可见，结构措施的改变对工程的影响是最大的，设计对桥梁整体结构的重新设计，代价高，并且无法针对已建成的桥梁进行调整。机械措施能在不改变桥梁结构体系的情况下对风致振动进行有效的控制，但是机械振动装置往往造价高昂，不是桥梁抗风设计中的第一选择。气动措施能够在不改变桥梁结构与使用性能的前提下，通过适当改变桥梁外形或者布置一些附加的导流装置，往往可以减轻桥梁的风致振动，由于使用气动措施代价低，应用也最为广泛，通常采用加装封嘴、导流板、稳定板等方式使主梁断面接近流线型，避免或者推迟旋涡脱落的发生，增大主梁竖向振动的空气阻尼。

常用的气动措施主要是被动的控制措施，它们通常固定在桥梁的特定位置，无法根据桥梁具体使用情况来调整其特性，因此其适应性和通用性较差，无法同时提高桥梁涡振、抖振和颤振性能；同时栏杆作为桥梁保证行车安全性的必备附属构件本身就与桥梁的抗风性能存在着矛盾，为了保证车辆在桥梁上的安全行驶，势必要求栏杆透风率尽可能低。但是基于目前已有的实验结果，低透风率的栏杆又会导致桥梁颤振性能降低。针对涡振，展向不同透风率的栏杆会降低气动力在展向的相关性，降低涡振振幅。这些调整都无法在被动气动措施情况下实现。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种可调透风率的桥梁栏杆结构。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种可调透风率的桥梁栏杆结构，包括至少两个立柱，所述立柱上设置有至少一个第一驱动机构和至少一个第二驱动机构，相邻所述立柱之间设置有栏杆组件，所述栏杆组件包括沿竖直方向连接的多个栏杆板，所述第一驱动机构能够驱动所述多个栏杆板绕水平方向旋转，所述第二驱动机构能够驱动所述多个栏杆板沿竖直方向运动。

作为本发明的进一步改进，所述立柱内设置有至少一个活动滑槽和至少一个固定滑槽，所述活动滑槽能够在所述立柱内移动，所述栏杆板上设置有第一支轴和第二支轴，所述第一支轴和第二支轴均水平设置，所述第一支轴、第二支轴分别嵌入所述活动滑槽、固定滑槽内。

作为本发明的进一步改进，所述第一支轴、第二支轴均水平穿过所述栏杆板。

作为本发明的进一步改进，位于最上方的所述第二支轴通过第一拉绳与所述立柱相连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一驱动机构为伸缩马达，所述伸缩马达能够旋转，所述伸缩马达的输出端与位于最上方的所述第一支轴活动连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一支轴穿过所述伸缩马达的输出端。

作为本发明的进一步改进，所述第二驱动机构为旋转马达，所述旋转马达的输出轴连接有第二拉绳，所述第二拉绳与位于最下方的所述第二支轴相连接。

作为本发明的进一步改进，所述第二拉绳穿过多个所述第二支轴。

作为本发明的进一步改进，相邻所述第一支轴之间连接有第三拉绳。

作为本发明的进一步改进，相邻所述第二支轴之间连接有第四拉绳本发明的有益效果是：

(1)本发明能够基于调整栏杆板的倾角实现透风率的连续调整，可以更加精确控制栏杆结构的透风率，同时能够将所有的栏杆板上升到顶部，无需调整桥梁断面形式就可以做到动态调整桥梁气动性能，可以针对涡振、颤振等振动形式使用有针对性的栏杆形态进行抑制和消除。

(2)在行车的情况下，降低栏杆透风率，保证行车舒适性和安全性；在潜在发生涡振的情况下，交替调节展向透风率降低涡振振幅；在潜在发生颤振的情况下，由于桥面无车可使栏杆达到最大透风率，可提高桥梁颤振稳定性。

(3)本发明根据桥梁具体所处情况，对栏杆板进行主动调整，可有效提高桥梁多种抗风性能，能够在保证不增加桥梁其它附属设施的前提下，达到最优的风致振动控制效果，达到经济适用的效果，可广泛应用在不同断面的桥梁中，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的安装示意图；

图2为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板倾角为45°的侧视图；

图3为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板倾角为45°的正视图；

图4为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板倾角为45°的相邻栏杆板通过第四拉绳连接的结构示意图；

图5为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板倾角为45°的俯视图；

图6为本发明一实施例的透风率计算的相关参数示意图；

图7为本发明一实施例的栏杆板倾角示意图；

图8为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板倾角为25°的侧视图；

图9为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板倾角为25°的正视图；

图10为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板倾角分别为25°和45°的正视图；

图11为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板升起形态侧视图；

图12为本发明一实施例的可调透风率的桥梁栏杆结构的栏杆板升起形态正视图；

图13为图12中A的放大示意图；

图14为本发明一实施例的悬索桥模型断面图；

图15为本发明一实施例的风洞试验结果图；

图16为本发明另一实施例的悬索桥模型断面图；

图17为本发明另一实施例的风洞试验结果图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

如图2-图5所示，一种可调透风率的桥梁栏杆结构1，包括至少两个立柱10，立柱10上设置有至少一个第一驱动机构和至少一个第二驱动机构，相邻立柱10之间设置有栏杆组件12，栏杆组件12包括沿竖直方向连接的多个栏杆板14，第一驱动机构能够驱动多个栏杆板14绕水平方向旋转，第二驱动机构能够驱动多个栏杆板14沿竖直方向运动。

本发明优选立柱10内设置有至少一个活动滑槽16和至少一个固定滑槽18，通过第一驱动机构驱动，使得活动滑槽16能够在立柱10内移动，栏杆板14上设置有第一支轴20和第二支轴22，第一支轴20和第二支轴22均水平设置，第一支轴20、第二支轴22分别嵌入活动滑槽16、固定滑槽18内，使得活动滑槽16通过第一支轴20带动该竖直向所有栏杆板14旋转。

本发明优选第一支轴20水平设置在栏杆板14的一长侧端，第二支轴22水平穿过栏杆板14，第一支轴20、第二支轴22的两端均伸出栏杆板14，第一支轴20、第二支轴22和栏杆板14连接为一体，便于栏杆板14与第一支轴20、第二支轴22一起旋转，但并不局限于此种方式，也可以在栏杆板14的每个宽侧边分别设置第一支柱、第二支柱，通过第一支柱、第二支柱分别嵌入活动滑槽16、固定滑槽18。进一步优选第二支轴22的轴线与栏杆板14的中心线在同一直线上，提高栏杆板14旋转的顺畅性。

本发明优选位于最上方的第二支轴22通过第一拉绳24与立柱10相连接，便于最上方的栏杆板14的旋转。

本发明优选第一驱动机构为伸缩马达26，伸缩马达26能够旋转，伸缩马达26的输出端28与位于最上方的第一支轴20活动连接，通过伸缩马达26的输出端28的长度变化同时配合伸缩马达26的旋转，从而使得伸缩马达26的输出端28在移动的过程中能够旋转，从而驱动第一支轴20与活动滑槽16，带动该竖直向所有栏杆板14旋转。第一驱动机构并不局限于伸缩马达26，也可以为气缸或其它可以驱动第一支轴20移动的结构。

为了便于伸缩马达26的旋转，优选伸缩马达26套在一个第三支轴29上，伸缩马达26绕第三支轴29旋转。

为了便于伸缩马达26的输出端28带动第一支轴20运动，本发明优选第一支轴20穿过伸缩马达26的输出端28。

本发明优选第二驱动机构为旋转马达30，旋转马达30的输出轴连接有第二拉绳32，第二拉绳32与位于最下方的第二支轴22相连接，当位于最下方的第二支轴22带动最下方的栏杆板14往上运动时，最下方的栏杆板14推动上面的栏杆板14往上运动，从而使得该竖向所有栏杆板14向上升起。第二驱动机构并不局限于旋转马达30，也可以是其它结构，能够卷绕或释放第二拉绳32即可。

本发明进一步优选第二拉绳32穿过多个第二支轴22，便于竖向多个栏杆板14的叠设。

本发明优选相邻第一支轴20之间连接有第三拉绳34，便于固定相邻栏杆板14之间的竖向间距。

本发明优选相邻第二支轴22之间连接有第四拉绳36，便于固定相邻第二支轴22的竖向间距，进而使得该竖向所有栏杆板14之间平行且间距固定。

本发明优选第一拉绳24、第二拉绳32、第三拉绳34、第四拉绳36均为钢丝绳，但并不局限于钢丝绳，也可以为尼龙绳。

参考图6，透风率λ是指图6中栏杆板14未遮挡的面积A_empty与栏杆板14整体面积A_all之比，A_empty＝A_all-A_full，其中A_full指的是栏杆板14遮挡的面积。

假设安装n片栏杆板14，不考虑立柱10处的透风间隙，透风率λ的计算公式如下：

以图6为例，n取8。但并不局限于8片栏杆板14，可以根据实际情况设置不同数量的栏杆板14。

若定义栏杆板14的倾角α为栏杆板14与水平线的夹角，栏杆板14的宽度为L，如图7所示，则透风率λ的近似计算公式为：

通过驱动旋转马达30实现栏杆板14的升降，通过驱动伸缩马达26实现栏杆板14旋转角度，第三拉绳34和活动滑槽16可保证该竖向所有栏杆板14旋转相同的角度，通过调整旋转角度实现透风率λ的变化。

图2为栏杆板14的倾角α为45°的结构，此结构为单一透风率工作姿态。可以根据实际情况调整透风率，如将倾角α调小，可增加透风率λ，效果如图8、图9所示，此时倾角α为25°。

由于不同位置的立柱10上设置的伸缩马达26和旋转马达30是相对独立的，通过不同位置栏杆组件12的栏杆板14的倾角α，倾角α分别设置为45°、25°，实现不同位置栏杆组件12使用不同的透风率，如图10所示，形成组合透风率工作姿态。

栏杆板14的倾角α并不局限于45°或25°，可以为0-90°的任意值。

如图11-图13所示，此时栏杆板14呈整体升起工作姿态。

本发明可调透风率的桥梁栏杆结构安装在桥梁38上的结构如图1所示。

本发明的工作原理如下：

栏杆板14可以静止在任一倾角位置，实现正常工作姿态，如图2所示；

在桥梁38不发生振动的情况下，此时主要关注点为路面的行车风环境，此时可以保持低透风率状态，可将栏杆板14的倾角α取大值；

当桥梁38在中低风速下有涡振发生趋势时，此时依旧需要在保证行车安全的同时适当调高栏杆板14的透风率，由于多个栏杆板14之前有活动滑槽16定位水平位置、第三拉绳34固定竖向间距，能够保证所有栏杆板14都以同样的倾角α进行变化，只需要对最上方的栏杆板14的倾角α调整，就能够同时驱动下方所有栏杆板14，通过启动伸缩马达26，伸缩马达26的输出端28的长短发生变化同时伸缩马达26旋转，带动活动滑槽16移动、同时带动第一支轴、栏杆板14、第二支轴22旋转进行角度变化，栏杆板14形态的变化会改变空气流动经过桥梁38断面旋涡脱落的频率，改变整体主梁断面的气动特性，避免涡振；当桥梁38在中低风速下有涡振发生趋势时，在桥梁38的纵向可以使用不同的透风率实现多种透风率的组合，如图10所示，削弱展向的气动力相关性，可以有效降低涡振；

当桥梁38在高风速下有颤振趋势时，通过伸缩马达26的输出端28带动栏杆板14旋转至水平状态，旋转马达30启动，卷起第二拉绳32，第二拉绳32带动最下面的栏杆板14上升，从而使得所有栏杆板14向上升起至顶部，大幅提高透风率，改善气动特性，提高颤振临界风速。

在一具体实施例中，立柱10的高度h可拟定为1.86m，相邻栏杆板14的间距d为0.21m，共设置8个栏杆板14。当然，立柱10的高度h以及相邻栏杆板14之间的间距并不局限于以上数据，可以根据实际情况进行调整。

本发明控制涡振的效果通过了部分风洞试验验证，选择一座箱梁悬索桥，断面如图14所示。利用节段模型开展了该断面涡激振动性能风洞试验研究，通过在栏杆后方黏贴木制挡块模拟低透风率情况，拆除木制挡块模拟高透风率的情况。实验结果如图15所示，实验结果表明，高透风率的情况下涡激振动消失。这与本发明实施例中，调整栏杆板14的倾角进而调整挡风面积的原理是吻合的。通过该试验得出，不同的透风率会对涡振产生影响，本发明能够调整栏杆板14形态，从而改变空气流动经过桥梁38断面旋涡脱落的频率，改变整体主梁断面的气动特性，避免涡振。

本发明控制颤振的效果通过了部分风洞试验验证，选择一座箱梁悬索桥，断面如图16所示。利用节段模型开展了该断面颤振性能风洞试验研究，通过是否安装栏杆来模拟栏杆板14升起与放下的两种情况。实验结果如图17所示，实验结果表明，拆除栏杆的情况下会大幅度提高正攻角下的颤振临界风速。这与本发明实施例中，升起栏杆板14原理是吻合的。通过该试验得出，大幅提高透风率，能够改善气动特性，提高颤振临界风速，本发明能够实现所有栏杆板14向上升起至顶部，实现高透风率。

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，能够以其他的具体形式实现本发明。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要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 (3)

1.一种可调透风率的桥梁栏杆结构，其特征在于，包括至少两个立柱，所述立柱上设置有至少一个第一驱动机构和至少一个第二驱动机构，所述立柱内设置有至少一个活动滑槽和至少一个固定滑槽，所述活动滑槽能够在所述立柱内移动，相邻所述立柱之间设置有栏杆组件，所述栏杆组件包括沿竖直方向连接的多个栏杆板，所述栏杆板上设置有第一支轴和第二支轴，所述第一支轴和第二支轴均水平设置，所述第一支轴、第二支轴均水平穿过所述栏杆板，所述第一支轴、第二支轴分别嵌入所述活动滑槽、固定滑槽内，位于最上方的所述第二支轴通过第一拉绳与所述立柱相连接，所述第一驱动机构能够驱动所述多个栏杆板绕水平方向旋转，所述第一驱动机构为伸缩马达，所述伸缩马达能够旋转，所述伸缩马达的输出端与位于最上方的所述第一支轴活动连接，所述第二驱动机构能够驱动所述多个栏杆板沿竖直方向运动，所述第二驱动机构为旋转马达，所述旋转马达的输出轴连接有第二拉绳，所述第二拉绳与位于最下方的所述第二支轴相连接，相邻所述第一支轴之间连接有第三拉绳，相邻所述第二支轴之间连接有第四拉绳。

2.根据权利要求1所述的一种可调透风率的桥梁栏杆结构，其特征在于，所述第一支轴穿过所述伸缩马达的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种可调透风率的桥梁栏杆结构，其特征在于，所述第二拉绳穿过多个所述第二支轴。

Images