CN112458880A - 一种抑制桥梁颤振的垂荡板装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于桥梁风致振动控制技术领域，提供了一种抑制桥梁颤振的垂荡板装置，是将浸没悬浮于水中的垂荡板通过长绳索悬吊在桥梁主梁上。桥梁发生风致大幅振动时会带动水中的垂荡板上下运动，水体随之产生的强大的附加质量及附加阻尼阻止垂荡板和桥梁振动，最终避免桥梁发生颤振或大幅提高颤振临界风速。在垂荡板上开设若干孔洞、设置开合板可进一步改善桥梁颤振控制效果。本发明的优势：装置简单、操作方便、控制效果好、质量轻、费用低、实用性强。垂荡板在非工作状态时，置于主梁梁底，既不影响桥梁美观，也不影响桥下通航。垂荡板在工作状态时，已是几十年一遇的十六级以上强风，桥下也不会通航。
Description
技术领域
本发明属于桥梁风致振动控制技术领域，涉及一种抑制桥梁颤振的垂荡板装置。
背景技术
目前世界范围内已建数十座大跨度跨海桥梁，未来将建造更多、更长跨海桥梁工程。海上风速高，持时长，因此桥梁抗风问题非常突出。大跨桥梁风致大幅极限环振动和发散性颤振需要避免，否则可能会引起倒塌破坏。主要通过结构措施、气动措施和机械措施来控制桥梁颤振或改善桥梁颤振性能。结构措施包括增大桥面宽度、增加主梁质量和质量惯矩、提高结构刚度等，成本相对较高。气动措施包括风嘴、中央稳定板、中央开槽等，中央开槽措施改善效果明显，但工程成本较高，且会引起较为严重的涡振问题。机械措施主要是增加桥梁系统的阻尼，可以有效控制涡振，降低抖振响应，但对颤振控制效率较低，因此一般不采用机械措施控制桥梁颤振。针对传统的桥梁颤振控制措施存在的一些不足，提出一种适用于抑制深水(一般是跨海或部分深水湖)基础大跨度桥梁颤振的垂荡板装置，即在桥梁下方悬挂浸没于水中的垂荡板达到抑制桥梁大幅颤振的目的，具有其相对优势和特色。
发明内容
本发明提出一种悬挂在桥梁下方浸没于水中的垂荡板装置，桥梁风致振动时带动垂荡板在水中上下或扭转运动时，水体为垂荡板提供强大的附加质量及附加阻尼，抑制垂荡板及桥梁大幅振动，避免桥梁发生颤振或大幅提高颤振临界风速及抗风安全性。
本发明的技术方案：
一种抑制桥梁颤振的垂荡板装置，包括垂荡板1、吊环2、绳索3、孔洞4、开合板5；所述的垂荡板1具有足够的强度及刚度，保证垂荡板在水中运动时不会发生明显变形，一般可采用防锈性能较好的镀锌钢板、铝板等金属薄板与纵横金属加劲肋焊接制作，相对具有相同刚度的金属平板方案，垂荡板1的自重及工程费用更低；在垂荡板1合适位置设置若干吊环2，用于方便采用具有足够强度和刚度的绳索3将垂荡板1悬挂在桥梁主梁下方；非工作状态下，垂荡板1贴近固定在主梁底板；由于用在实际桥梁工程的垂荡板较薄(<10cm)，因此对桥梁外形基本没有影响；而且由于平时悬挂在梁底，因此不影响桥梁美观性；只有在强风(一般都可以根据天气预报进行预测)条件下，当对桥梁颤振和大幅抖振造成威胁时，才将垂荡板1从主梁梁底下放浸没悬浮于水中足够深度处，并与水底保持一定距离；绳索3上端连接在桥梁主梁腹板或底板上，并保持处于拉伸状态；在风荷载作用下，桥梁向上运动会带动垂荡板1在水中向上运动，水的附加质量与阻尼会抑制垂荡板1和桥梁运动；桥梁向下运动时，垂荡板1在自重和水的浮力作用下向下运动，该过程垂荡板1无法阻止桥梁振动发挥控制作用；由于水的阻力影响，垂荡板1下降速度可能相对小于桥梁向下运动速度，此时绳索3可能处于松弛状态；为使垂荡板1对桥梁下一周期的振动有更好的抑制效果，需要桥梁向上运动时，绳索3处于张紧状态，这样垂荡板1才能对振动起到控制作用；因此，垂荡板1应尽可能与主梁下降保持基本同步；为此，在垂荡板1上开设若干孔洞4可以减小水的阻力，加速垂荡板1的下降速度；而且开孔后，还可以增加系统的附加阻尼；孔洞4数量越多，面积越大，垂荡板1下降越自由，下降速度也越大；但是，孔洞4数量太多会降低垂荡板1上升时水的附加质量和阻尼，进而影响振动控制效果，因此孔洞4的数量、尺寸及布置方式需要优化；另外，还可以在某些孔洞4的上方设置单向开合板5；垂荡板1上升时，开合板5由于自重和水的向下压力盖住孔洞4，垂荡板1下落时，由于水的向上顶力使得开合板5打开，增大透水面积，下降速度更快；开合板可以采用2-3mm厚铝板，质量轻，防锈，耐久性好，费用低。
本发明的有益效果：(1)本发明提供的垂荡板装置简单、操作方便、质量轻、费用低、颤振控制效果好；(2)装置实用性强，处于非工作状态时，需将装置收至桥梁主梁下方，尽量与其紧贴，不影响桥梁美观，也不影响桥下通航；只有在强风条件下才临时采用，本质上是作为一种安全保障措施。
附图说明
图1是一种抑制桥梁颤振的垂荡板装置的构造图。
图中：1垂荡板；2吊环；3绳索；4孔洞；5开合板。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式，但本发明的实施方式不限于此：
如图1所示，一种抑制桥梁颤振的垂荡板装置，包括垂荡板1、吊环2、绳索3、孔洞4、开合板5；所述的垂荡板1具有足够的强度及刚度，一般可采用镀锌钢板、铝板等金属薄板与纵横金属加劲肋焊接制作，在保证垂荡板1的强度和刚度条件下尽可能降低垂荡板1的自重及工程费用；在垂荡板1合适位置设置若干吊环2；具有足够强度和刚度的绳索3下端连接吊环2，上端连接主梁；通过绳索3将垂荡板1悬挂在主梁下面；非工作状态下，垂荡板1贴近固定在主梁底板，不影响桥梁美观和桥下通航；在具有威胁性强风来临之前，通过绳索3将垂荡板1下放浸没于水中足够深度处；如果桥梁发生风致振动，水中的垂荡板1会在桥梁带动下运动而产生附加质量和附加阻尼，进而抑制桥梁振动；在垂荡板1上开设若干孔洞4，并在某些孔洞4的上方设置单向开合板5，可以使得垂荡板1下降更自由，尽量与主梁向下运动接近同步，这样将对桥梁颤振起到更好的控制效果。
本发明提供的一种抑制桥梁颤振的垂荡板装置，便于安装调试，可以同时满足桥梁竖向及扭转的颤振控制需要，费用低，方便快捷、实用高效。
所述的垂荡板1除了可以采用防锈性能较好的镀锌钢板、铝板和纵横加劲肋方式，也可以采用镀锌波纹钢板；相对等厚度平板，波纹板可以大幅度提高刚度，因此可以在保证相同刚度条件下，降低板厚，从而大幅节省造价。
所述的垂荡板1采用钢材和铝材各有利弊，钢材初期投资少，加工方便，但防锈耐久性较差，铝材初期投资多，耐久性好。
所述的垂荡板1一般可以采用正方形、正六边形和圆形，也可以采用其他任何形状，垂荡板1单块面积可在50-150m2范围内取值，需根据桥梁实际情况确定。垂荡板1可以采用整体平面形式，也可以采用凹面形式。
所述的垂荡板1应在保证满足控制效果条件下尽可能轻，一方面可以降低工程造价，另一方面也可以降低主梁的负载。单块垂荡板1质量最好不超过10吨，与其面积相关。
所述的垂荡板1在水中向上运动时水体产生的阻力与垂荡板面积、形状、开孔率、运动速度、运动频率等诸多参数相关，需要经过试验等相关研究进行优化设计。
所述的垂荡板1的数量及沿桥跨的布置方式根据需求设定，一般设置在桥梁结构可能发生较大位移的位置，在该位置沿横向对称布置两个相同的阻尼器，桥梁颤振通常为一阶对称或一阶反对称模态，因此相对应在桥梁主跨跨中断面和两个1/4断面控制效果最佳。
所述的吊环2为垂荡板1提供悬挂吊点，其数量和位置根据需要确定。
所述的绳索3应具有足够的强度和刚度，在拉紧状态下伸长量尽量小；上方可通过卷扬机等设备与桥梁结构连接，在阻尼器系统处于非工作状态时可以收到桥梁结构下方，不影响桥梁美观及通航，绳索3应有足够的长度，保证在工作状态时垂荡板1能够浸没于水体足够深度。
所述的孔洞4的数量、尺寸、位置不限，以控制效果最佳和工程费用最低等为约束条件，进行优化设计。
所述的开合板5单扇最大张开角度小于90°，垂荡板1上升时，开合板5关闭，垂荡板1下降时，开合板5打开，最终实现更好的控制效果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施事例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种抑制桥梁颤振的垂荡板装置，其特征在于，该抑制桥梁颤振的垂荡板装置包括垂荡板(1)、吊环(2)、绳索(3)、孔洞(4)及开合板(5)；所述的垂荡板(1)是保证具有足够强度及刚度、防锈性能良好的带有纵横金属加劲肋的金属板或波纹板；在垂荡板(1)上设置吊环(2)，并保证有足够的强度及刚度，为悬挂垂荡板(1)提供吊点，其数量和位置根据需要确定；绳索(3)下端与吊环(2)连接，上端与桥梁结构连接，保证具有足够的强度和刚度；绳索(3)有足够的长度，保证在工作状态时垂荡板(1)浸没于水体足够深度；在垂荡板(1)上设置若干孔洞(4)，在部分孔洞(4)两侧设置开合板(5)，由此可以提高振动控制效率。
2.根据权利要求1所述的抑制桥梁颤振的垂荡板装置，其特征在于，所述的垂荡板(1)采用镀锌钢板、铝板或波纹钢板等防锈性能良好材料；所述的垂荡板(1)可采用任意形式，正方形、正六边形和圆形效果较好；所述的垂荡板(1)采用可整体平面形式或采用凹面形式；对于实桥而言，单块垂荡板(1)的面积在50-150m2范围内选用，最大质量一般不超过10吨。所述的垂荡板(1)一般左右对称设置在桥梁主跨跨中断面和两个1/4断面，或根据需求设置。
3.根据权利要求1或2所述的抑制桥梁颤振的垂荡板装置，其特征在于，所述的绳索(3)选用高强金属链条或钢绞线。
4.根据权利要求1或2所述的抑制桥梁颤振的垂荡板装置，其特征在于，所述的孔洞(4)的数量、尺寸、位置不限，垂荡板(1)的开孔率在5％～15％之间。
5.根据权利要求1、2所述的抑制桥梁颤振的垂荡板装置，其特征在于，所述的开合板(5)保证有足够的强度及刚度，单扇最大张开角度小于90°，垂荡板(1)上升时，开合板(5)关闭，垂荡板(1)下降时，开合板(5)打开。
6.根据权利要求4所述的抑制桥梁颤振的垂荡板阻尼器装置，其特征在于，所述的开合板(5)保证有足够的强度及刚度，单扇最大张开角度小于90°，垂荡板(1)上升时，开合板(5)关闭，垂荡板(1)下降时，开合板(5)打开。
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