CN112942069B - 一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁风致振动控制研究技术领域，提供了一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，是将浸没于水中、带有多个配重块的大面积垂荡网布利用绳索悬吊在主梁下方。桥梁风致振动时，带动该装置在水中运动，装置重力及水体对网布产生巨大的附加质量力和附加阻尼力对主梁做负功，消耗桥梁振动能量，高效抑制其大幅振动。装置均采用轻质化、标准化构件，方便安装、拆卸、运输、收纳，具有安全可靠、经济实用的优势。

Description

一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置

技术领域

本发明属于桥梁风致振动控制研究技术领域，涉及一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置。

背景技术

现代桥梁正朝着更大跨度、更纤柔的方向发展，国内外已建许多大跨度跨海桥梁，未来将建造更多、更大跨度的跨海桥梁。大跨桥梁结构刚度和阻尼相对较小，对风荷载较为敏感。海上风速高，持时长，对桥梁抗风安全性带来严峻挑战。大跨桥梁风致大幅极限环振动和发散性颤振需要杜绝。桥梁颤振控制措施主要包括气动措施、结构措施及机械措施。针对大跨桥梁颤振传统的控制措施存在的一些不足，发明人提出一种适用于抑制大跨度跨海桥梁颤振的垂荡板阻尼器装置，即在桥梁下方悬挂浸没于水中的垂荡板，在其振动时借助水体提供巨大的附加质量和附加阻尼，达到抑制桥梁大幅颤振的目的。但该装置仍存在一些不足：(1)为了保证提供足够大的水体阻力，需要尺寸足够大的垂荡板，为保证垂荡板的刚度，需要增大板厚或者设置更大尺寸和加劲肋或桁架体系，这会大幅增加工程造价，降低了其实用性和经济性；(2)装置体量较大，不便拆卸安装，长期置于梁底，存在安全隐患；(3)为了降低工程造价，需要尽量减轻垂荡板质量，一方面垂荡板上升时自重做功较小，另一方面由于水的阻力作用下沉速度较慢，难以与主梁向下运动同步，因此无法保证在主梁向上运动半个周期内都做负功，进而导致耗能较少，控制效率较低。针对以上不足，本发明对其在几个方面进行改进和优化，使得措施构造更简单、安装更方便、造价更低、控制更高效，具有其相对优势和特色。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对大跨度跨海(跨江或部分深水湖)桥梁颤振控制的需要，提出一种悬挂在桥梁下方浸没于水中、带有多个配重块的垂荡网布装置。桥梁风致振动时，带动该装置在水中运动，该装置随主梁向上运动时会产生阻力，对主梁做负功，消耗桥梁振动能量，抑制其大幅振动。具体工作过程为：当主梁向上运动时，带动垂荡网布装置在水中向上运动，装置受到与运动方向相反(竖直向下)的阻力，主要包括：装置自重、水体的附加阻尼力及附加质量力，这些力在装置上升过程中对桥梁均做负功，消耗桥梁振动的能量；当主梁向下运动时，垂荡网布装置在重力、浮力及水阻力作用下向下运动；如果运动速度小于主梁运动速度，则装置不会对主梁产生拉力，也不会对主梁做正功；反之，在此下降过程，如果装置与主梁之间存在拉力，则会给主梁输入能量，增大其振幅；由于网布较轻，在自重和水阻力作用下会下沉很慢，虽然不会对主梁做正功，但是连接主梁与网布的绳索会松弛，主梁振动到最低处，再上升相当长一段距离，绳索才会再次被拉紧，势必就会降低消耗能量的效率。因此，最理想的情况是使装置与主梁的下降速度完全同步，随后进行下一周期的运动，装置立即发挥作用。因此，需要在装置上配重，使得尽可能接近以上理想目标。这可以很方便地通过添加廉价的混凝土配重块来实现增重目标，而且在上升过程中配重块因其重力也可以增加耗能，可以尽可能减轻装置其他构件的重量以降低工程造价。下降过程配重块主要用于加速网布的下降速度，力争做到网布与主梁接近同步下降，绳索既不过度松弛，也不受力过大，确保下一周期控制效率，可以做到一举两得。需要说明的是，由于主梁振幅是变化的，因此无法设计出合适的配重来保证在任何条件下网布与主梁下降都是同步的。配重过大，就可能会导致绳索的索力较大，为主梁输入能量；配重过小，就可能会导致绳索松弛过大，主梁上升时不能及时为其消耗能量。配重可以根据主梁振动频率、振幅、网布质量、尺寸等参数进行优化设计。采用该装置，可以更为方便、高效避免桥梁颤振发生，或者大幅提高颤振临界风速及抗风安全性。

本发明的技术方案：

一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，包括索链1、第一卡扣2、节点连接器3、网材4、高强布料5、配重块6、绳索7、第二卡扣8、吊环9；所述的索链1具有足够的强度及刚度，一般可采用镀锌的金属链或高强尼龙纤维绳，由此可较大降低成本；索链1通过两端设置的第一卡扣2与节点连接器3连接；具有统一规格(便于规模化、流水线作业，因此可以大幅降低造价)的若干段索链1、第一卡扣2和节点连接器3可以非常方便、快速地构成一横纵交错网状体系，为控制装置提供支撑；将若干块规格统一的网材4铺设于上述网状体系上方，可以通过多种方式(扎带或卡扣等)方便快速地与索链1连接，形成更为密集、整体性更好的索网；不透水的高强布料5铺设于索网上面，并与其相连，形成整体网布；这种组合装置既方便制作、运输、安装，又发挥各构件优势，在更小代价基础上，起到刚性垂荡板的作用；配重块6悬挂在节点连接器3下方；绳索7两端均设有第二卡扣8，下端连接节点连接器3，上端连接固定在主梁下方的吊环9，由此可以将控制装置悬挂在主梁下方，浸没于水中；对于已建桥梁，可在后期将吊环9加设于主梁底部；对于未建桥梁，可在制作主梁时预先设置吊环9。因为垂荡网布装置的各组成构件均可标准化生产，方便连接。索网自重很轻，既方便运输、安装、拆卸，也节约投资，配重块6采用混凝土材料，成本非常低。非工作状态下，可拆卸保存；在强风(一般都可以根据天气预报进行预测，且对桥梁颤振和大幅抖振造成威胁)条件下，将垂荡网布控制装置在工厂拼装完成后运至现场，也可将各构件运至现场进行快速拼接安装。在风荷载作用下，桥梁向上运动时，带动控制装置在水中向上运动，装置自重及水提供的附加质量与附加阻尼会抑制桥梁运动；桥梁向下运动时，控制装置在自重、浮力及水阻力作用下向下运动，且下降速度与主梁下降速度接近同步，尽可能少地给主梁输入能量，或尽可能避免绳索过度松弛，保证具有较高的控制效率。

装置网布形状不限，一般可以采用矩形；

装置网布尺寸不限、横桥向宽一般为5～10m，沿纵桥向长根据桥梁实际振动特性和控制目标确定，从十米到数十米不等，沿纵桥向可选择间隔或整体连续布置；所述的装置一般设置在桥梁结构可能发生较大位移的位置(如主跨跨中断面和两个1/4断面)，在该位置沿横向对称布置两个相同的控制装置，尽可能设置在主梁两侧，也同时更有利于控制桥梁扭转振动；浸水深度不宜过浅(效率低)、也不宜过深(费用高)，可根据现场条件确定。

所述的索链1长度一般为2-4m；

所述的第一卡扣2、第二卡扣8便于控制开合，方便安装拆卸，保证有足够的强度和刚度；

所述的节点连接器3主要用于连接纵横索链1，为悬挂装置及悬吊配重块6提供吊点，可采用高强镀锌钢材制作，保证有足够的强度、刚度和数量；

所述的网材4主要用于支撑高强布料5，可采用金属网或者高强尼龙绳网；

所述的高强布料5有较好的耐腐蚀性，可以采用帆布，具有质量轻、强度高、价格低、耐久性好等优点；

所述的配重块6为降低工程造价，可采用钢筋混凝土块，质量大小不限，为方便安装拆卸，质量可以考虑2t～5t，其数量根据桥梁实际振动特性及网布尺寸等确定；所述的配重块6在满足总配重要求的条件下，应尽可能采用小质量，多数量分散对称布置的形式，悬挂在各个节点连接器3下方，避免网布某一节点及主梁上吊环9悬挂处有较大的集中力；

所述的绳索7应具有足够的强度和刚度，在工作状态下形变尽量小，其数量根据网布尺寸、节点连接器3和配重块6的数量确定，在条件允许的情况下，每个节点连接器3均连接一根竖向绳索7，避免由于网布尺寸过大或因某多个配重块6产生的过大拉力导致网布严重下凹，而使得实际工作面减小的问题；

所述的吊环9可采用棋盘式布置方式，横纵数量分别至少4个，减小悬挂点对主梁产生较大的集中力；也不宜过多，否则工作量较大，且需要更多的绳索7，增加了造价；

因为垂荡网布装置的各组成构件均可标准化生产，方便连接。索网自重很轻，既方便运输、安装、拆卸，也节约投资，配重块6采用混凝土材料，成本非常低。非工作状态下，可拆卸保存；在强风(一般都可以根据天气预报进行预测，且对桥梁颤振和大幅抖振造成威胁)条件下，将垂荡网布控制装置在工厂拼装完成后运至现场，也可将各构件运至现场进行快速拼接安装。在风荷载作用下，桥梁向上运动时，带动控制装置在水中向上运动，装置自重及水提供的附加质量与附加阻尼会抑制桥梁运动；桥梁向下运动时，控制装置在自重、浮力及水阻力作用下向下运动，且下降速度与主梁下降速度接近同步，尽可能少地给主梁输入能量，或尽可能避免绳索过度松弛，保证具有较高的控制效率。控制装置一般设置在桥梁结构可能发生较大位移的位置(如主跨跨中断面和两个1/4断面)，在该位置沿横向对称布置两个相同的控制装置，可同时控制主梁竖向和扭转振动。

本发明提供的一种抑制桥梁颤振的垂荡网布控制装置，便于拆卸、安装、调试、使用，可以同时满足桥梁竖向及扭转的颤振控制需要，方便快捷、安全实用。如果没有通航要求或通航要求较低，本发明也可以用于抑制施工及成桥运营阶段的风致抖振和涡振，还可以用于抑制车致振动，甚至也可以用于降低地震响应。

本发明的有益效果：(1)本发明提供的垂荡网布装置结构简单，经济实用，无需复杂设备及特殊材料，且各构件统一规格，可实现标准化、规模化、流水线作业生产，大幅降低工程造价，且各构件尺寸小，质量轻，方便运输、安装、拆卸、收纳；(2)装置不必长期置于主梁下方，只有在强风或者现场观测到明显的涡振条件下才会使用，安全性更高；(3)装置控制效率高，根据主梁振动频率、振幅、网布质量、尺寸等参数进行优化设计配重块的质量，相较于传统的刚性垂荡板控制装置，可大大改善控制效果。

附图说明

图1是一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置的局部构造图。

图2是一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置的整体构造图。

图3是节点连接器3的示意图。

图中：1索链；2第一卡扣；3节点连接器；4网材；5高强布料；6配重块；7绳索；8第二卡扣；9吊环。

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、2和3所示，一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，包括索链1、第一卡扣2、节点连接器3、网材4、高强布料5、配重块6、绳索7、第二卡扣8、吊环9；所述的索链1具有足够的强度及刚度，一般可采用镀锌的金属链或高强尼龙纤维绳，由此可大大降低成本；索链1通过两端设置的第一卡扣2与节点连接器3连接；具有统一规格(便于规模化、流水线作业，因此可以大幅降低造价)的若干段索链1、第一卡扣2和节点连接器3可以非常方便、快速地构成一横纵交错网状体系，为控制装置提供支撑；将若干块规格统一的网材4铺设于上述网状体系上方，可以通过多种方式(扎带或卡扣等)方便快速地与索链1连接，形成更为密集、整体性更好的索网；不透水的高强布料5铺设于索网上面，并与其相连，形成整体网布；配重块6悬挂在节点连接器3下方；绳索7两端均设有第二卡扣8，下端连接节点连接器3，上端连接固定在主梁下方的吊环9，由此可以将控制装置悬挂在主梁下方，浸没于水中；对于已建桥梁，可在后期将吊环9加设于主梁底部；对于未建桥梁，可在制作主梁时预先设置吊环9。

如果高强布料5具有足够高的强度和抗拉刚度，也可以不采用索链1，甚至也不采用网材4，直接采用第一卡扣2将高强布料连接在节点连接器3上。其优势是省却索链1和网材4材料费和拆装费，节省时间；劣势是高强布料5需要足够厚，具有足够的强度和刚度，而且需要设置更多的吊点，相应需要增加索链1的数量。可以考虑材料费用、施工费用、安全性等多种因素，通过优化设计确定最终方案。

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做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 (10)

1.一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，该抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置包括索链(1)、第一卡扣(2)、节点连接器(3)、网材(4)、高强布料(5)、配重块(6)、绳索(7)、第二卡扣(8)和吊环(9)；所述的索链(1)通过两端设置的第一卡扣(2)与节点连接器(3)连接；若干段索链(1)、第一卡扣(2)和节点连接器(3)构成横纵交错网状体系，为垂荡网布装置提供支撑；所述的网材(4)铺设于上述网状体系上方，与索链(1)连接成索网；不透水的高强布料(5)铺设于索网上面，并与其相连，形成整体网布；配重块(6)悬挂在节点连接器(3)下方；绳索(7)两端均设有第二卡扣(8)，下端连接节点连接器(3)，上端连接固定在主梁下方的吊环(9)，由此将垂荡网布装置悬挂在主梁下方，浸没于水中；对于已建桥梁，在后期将吊环(9)加设于主梁底部；对于未建桥梁，在制作主梁时预先设置吊环(9)。

2.根据权利要求1所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，在布料( 5)具有足够高的强度和抗拉刚度条件下，不用索链( 1) 和网材( 4) ，直接采用第一卡扣(2) 将高强布料(5)连接在节点连接器(3)上。

3.根据权利要求1或2所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，所述的垂荡网布装置为矩形，其尺寸不限、横桥向宽为5～10m，沿纵桥向长根据桥梁实际振动特性和控制目标确定，间隔或整体连续布置；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垂荡网布装置，设置在主梁两侧；浸水深度根据现场条件确定。

4.根据权利要求1或2所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，所述的绳索(7)的数量根据网布尺寸、节点连接器(3)和配重块(6)的数量确定，在条件允许的情况下，每个节点连接器(3)均连接一根竖向绳索(7)。

5.根据权利要求3所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，所述的绳索(7)的数量根据网布尺寸、节点连接器(3)和配重块(6)的数量确定，在条件允许的情况下，每个节点连接器(3)均连接一根竖向绳索(7)。

6.根据权利要求1、2或5所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，所述的吊环(9)采用棋盘式布置方式，横纵数量分别至少4个。

7.根据权利要求3所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，所述的吊环(9)采用棋盘式布置方式，横纵数量分别至少4个。

8.根据权利要求4所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，所述的吊环(9)采用棋盘式布置方式，横纵数量分别至少4个。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，

所述的索链(1)采用镀锌的金属链或高强尼龙纤维绳，长度为2-4m；

所述的节点连接器(3)采用高强镀锌钢材制作；

所述的网材(4)采用金属网或高强尼龙绳网或帆布；

所述的配重块(6)采用钢筋混凝土块，其数量根据桥梁实际振动特性及网布尺寸确定。

10.根据权利要求6所述的抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，其特征在于，

所述的索链(1)采用镀锌的金属链或高强尼龙纤维绳，长度为2-4m；

所述的节点连接器(3)采用高强镀锌钢材制作；

所述的网材(4)采用金属网或高强尼龙绳网或帆布；

所述的配重块(6)采用钢筋混凝土块，其数量根据桥梁实际振动特性及网布尺寸确定。

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