CN113073548B - 一种主动型气动翼栅栏杆结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主动型气动翼栅栏杆结构及其控制方法，涉及大跨桥梁风振性能技术领域。该主动型气动翼栅栏杆结构包括主梁、侧栏杆、气动翼板和驱动机构。侧栏杆设置于主梁的边缘处，任意相邻两个侧栏杆之间均设置有多个气动翼板。气动翼板能够随着桥梁所处风环境和主梁振动状态的改变而实时调整姿态，以减小桥梁的气动升力矩，提高桥梁结构的风振性能。该控制方法，包括如下步骤：设定主梁的扭转运动的函数；根据主梁的扭转运动的函数导出主梁的扭转加速度的函数；选择气动翼板与主梁之间运动的相位差和从主梁振幅到气动翼板振幅的放大系数为控制参数；导出气动翼板的扭转运动函数形式；及根据气动翼板的扭转运动函数形式控制气动翼板的转动。

Description

一种主动型气动翼栅栏杆结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及大跨桥梁风振性能技术领域，尤其是涉及一种主动型气动翼栅栏杆结构及其控制方法。

背景技术

大跨桥梁的气动性能主要依赖于主梁所受的表面气动力，而主梁的气动力与主梁周围流场的流动形态密切相关，主梁的外形是决定其表面流场形态的关键因素。

为提高桥梁结构的风振性能，如提高颤振临界风速、降低涡振和抖振振动幅值，通常采用在表面增设气动控制措施，常见的有导流板、抑流板、中央开槽、裙板、分流板、风嘴和稳定板等。它们通常固定在桥梁结构上，也可统称为固定或被动型气动措施。被动气动措施的造价低、鲁棒性强，已在桥梁结构中得到了广泛应用。

但随着桥梁跨径的增大，被动型气动措施所能提供的改善效果正在接近极限，且多数被动气动措施无法兼顾多种不利的风振效应，部分措施在提升某一种风振性能的同时甚至会降低其他风振性能，单纯使用传统的被动气动措施已不能满足大跨桥梁对风振性能的要求。

因此，为弥补传统的被动型气动措施在大跨桥梁风振控制方面的不足，本发明提出了一种主动型气动翼栅栏杆结构及其控制方法，以大幅提升大跨桥梁结构的风振性能。

发明内容

针对上述情况，本发明提供一种主动型气动翼栅栏杆结构，其能够大幅提升大跨桥梁结构的风振性能。

本发明还提供一种控制方法，其能够用于控制主动型气动翼栅栏杆结构的运动。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种主动型气动翼栅栏杆结构，主要可以包括：

主梁；

侧栏杆，设置于主梁的边缘处，侧栏杆至少有两个；

气动翼板，任意相邻两个侧栏杆之间均设置有多个气动翼板；及

驱动机构，用于驱动气动翼板转动。

侧栏杆至少有两个，使得侧栏杆和气动翼板能够分段运输后，再现场安装。主动型气动翼栅栏杆结构将多个气动翼板形成翼栅结构，若干气动翼板与桥梁外侧栏杆形成有机整体，无需增设体积庞大的附加的连接构件。该主动型气动翼栅栏杆结构能够随着桥梁所处风环境和主梁振动状态的改变而实时调整姿态，以减小桥梁的气动升力矩，提高桥梁结构的风振性能。当桥梁在较低风速下发生涡激振动或在较高风速下发生颤振失稳时，主动控制栏杆上的气动翼栅能够根据桥梁主梁的振动按预设的参数发生相应振动，实时地改变桥梁气动性能，提高桥梁结构的风振性能，保障结构安全和行车安全。

在本发明的一些实施例中，上述驱动机构包括伺服电机，伺服电机的输出轴与气动翼板的侧面的中部相连。以更好地通过伺服电机控制气动翼板的转动。

在本发明的一些实施例中，上述任意相邻两个侧栏杆之间设置有三个气动翼板。

在本发明的一些实施例中，上述每个气动翼板均连接有一驱动机构，以使每个气动翼板均能被单独控制。

在本发明的一些实施例中，上述气动翼板与侧栏杆通过固定铰相连。

在本发明的一些实施例中，上述侧栏杆的高度为1.60m，气动翼板的宽度为2m，任意相邻两个气动翼板的间距为0.35m。

一种控制方法，用于控制气动翼板的转动，其特征在于，包括如下步骤：

设定主梁的扭转运动的函数；

根据主梁的扭转运动的函数导出主梁的扭转加速度的函数；

选择气动翼板与主梁之间运动的相位差和从主梁振幅到气动翼板振幅的放大系数为控制参数；

导出气动翼板的扭转运动函数形式；及

根据气动翼板的扭转运动函数形式控制气动翼板的转动。

导出气动翼板的扭转运动函数形式，以方便通过驱动机构控制气动翼板的转动，进而达到使该主动型气动翼栅栏杆结构能够随着桥梁所处风环境和主梁振动状态的改变而实时调整姿态，以减小桥梁的气动升力矩，提高桥梁结构的风振性能的目的。

在本发明的一些实施例中，上述主梁的扭转运动的函数为

主梁的扭转加速度为

按如下公式导出气动翼板的扭转运动函数形式：

其中，A_α为主梁的振动振幅，ω_α为主梁运动的圆频率，

为主梁运动时刻0的相位，

是时刻t的相位，

为气动翼板与主梁之间运动的相位差，G为主梁振幅到气动翼板振幅的放大系数。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

1.侧栏杆至少有两个，使得侧栏杆和气动翼板能够分段运输后，再现场安装。主动型气动翼栅栏杆结构将多个气动翼板形成翼栅结构，若干气动翼板与桥梁外侧栏杆形成有机整体，无需增设体积庞大的附加的连接构件。该主动型气动翼栅栏杆结构能够随着桥梁所处风环境和主梁振动状态的改变而实时调整姿态，以减小桥梁的气动升力矩，提高桥梁结构的风振性能。当桥梁在较低风速下发生涡激振动或在较高风速下发生颤振失稳时，主动控制栏杆上的气动翼栅能够根据桥梁主梁的振动按预设的参数发生相应振动，实时地改变桥梁气动性能，提高桥梁结构的风振性能，保障结构安全和行车安全。

2.导出气动翼板的扭转运动函数形式，以方便通过驱动机构控制气动翼板的转动，进而达到使该主动型气动翼栅栏杆结构能够随着桥梁所处风环境和主梁振动状态的改变而实时调整姿态，以减小桥梁的气动升力矩，提高桥梁结构的风振性能的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，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申请的一些实施例，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为本发明实施例提供的主动型气动翼栅栏杆结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气动翼板和侧栏杆的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的侧栏杆的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的气动翼板和伺服电机的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的主动型气动翼栅栏杆静止状态的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的相邻主动型气动翼栅栏杆同步工作时的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的相邻主动型气动翼栅栏杆独立工作时的结构示意图。

图标：11-主梁，12-侧栏杆，121-固定铰，13-气动翼板，141-伺服电机。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中部”、“高度”、“上”、“前”、“后”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实施例和简化描述，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实施例的限制。

此外，术语“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，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，还可以是通信；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。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实施例中的具体含义。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

超大跨度的悬索桥在跨海工程领域应用越来越广泛，其面对的自然条件复杂多变，特别是对于极端气候如台风等的来袭，传统被动气动措施只能在一定风攻角和较低风速范围内起作用，其所能提供的风振控制效果往往有限，多种措施无法兼顾多种风振现象。另一方面，被动气动措施的抑振效果通常由风洞试验确定，受限于风洞尺寸等因素，试验结果与实际风场中的结果常常有所出入，导致被动气动措施在实际风环境中不能完全发挥其应有的效果。

主动翼板类措施可以针对桥梁风振的具体形式实时调节装置的空间姿态和运行状态，以更为积极的方式实现桥梁风致振动控制，有突破传统被动气动措施控制极限的能力，也有动态改变控制模式以自动适应特异风气候的潜力。

请参照图1-图7，本实施例提供一种主动型气动翼栅栏杆结构，主要可以包括：

主梁11；

侧栏杆12，设置于主梁11的边缘处，侧栏杆12至少有两个；

气动翼板13，任意相邻两个侧栏杆12之间均设置有多个气动翼板13；及

驱动机构，用于驱动气动翼板13转动。

侧栏杆12至少有两个，使得侧栏杆12和气动翼板13能够分段运输后，再现场安装。主动型气动翼栅栏杆结构将多个气动翼板13形成翼栅结构，若干气动翼板13与桥梁外侧栏杆12形成有机整体，无需增设体积庞大的附加的连接构件。该主动型气动翼栅栏杆结构能够随着桥梁所处风环境和主梁11振动状态的改变而实时调整姿态，以减小桥梁的气动升力矩，提高桥梁结构的风振性能。当桥梁在较低风速下发生涡激振动或在较高风速下发生颤振失稳时，主动控制栏杆上的气动翼栅能够根据桥梁主梁11的振动按预设的参数发生相应振动，实时地改变桥梁气动性能，提高桥梁结构的风振性能，保障结构安全和行车安全。

具体而言，驱动机构主要可以包括伺服电机141，伺服电机141的输出轴与气动翼板13的侧面的中部相连，以更好地通过伺服电机141控制气动翼板13的转动。任意相邻两个侧栏杆12之间设置有三个气动翼板13。每个气动翼板13均连接有一驱动机构，以使每个气动翼板13均能被单独控制。气动翼板13与侧栏杆12通过固定铰121相连。侧栏杆12的高度为1.60m，气动翼板13的宽度为2m，任意相邻两个气动翼板13的间距为0.35m。

主动型气动翼栅栏杆结构的工作原理是：

在桥梁边缘侧栏杆12上安装气动翼板13和伺服电机141，通过驱动伺服电机141实现气动翼板13绕铰接点的旋转，改变气动翼板13的俯仰角度，以此调整桥梁断面的气动力分布。当桥梁处于静止情况下，主动型气动翼栅栏杆结构不发生运动，对桥梁气动性能无影响；当桥梁在较低风速下发生涡激振动或在较高风速下发生颤振失稳时，主动控制栏杆上的气动翼板13可以根据桥梁主梁11的振动按预设的参数发生相应振动，实时地改变桥梁气动性能，提高桥梁结构的风振性能，保障结构安全和行车安全。

本实施例提供一种控制方法，用于控制气动翼板13的转动，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：设定主梁11的扭转运动的函数；

第二步：根据主梁11的扭转运动的函数导出主梁11的扭转加速度的函数；

第三步：选择气动翼板13与主梁11之间运动的相位差和从主梁11振幅到气动翼板13振幅的放大系数为控制参数；

第四步：导出气动翼板13的扭转运动函数形式；

第五步：根据气动翼板13的扭转运动函数形式控制气动翼板13的转动。

具体而言，主梁11的扭转运动的函数为

主梁11的扭转加速度为

按如下公式导出气动翼板13的扭转运动函数形式：

其中，A_α为主梁11的振动振幅，ω_α为主梁11运动的圆频率，

为主梁11运动时刻0的相位，

是时刻t的相位，

和

分别为主梁11前后两侧(图1所示前后方向)的气动翼板13与主梁11扭转运动的相位差，G为主梁11振幅到气动翼板13振幅的放大系数。

导出气动翼板13的扭转运动函数形式，以方便通过驱动机构控制气动翼板13的转动，进而达到使该主动型气动翼栅栏杆结构能够随着桥梁所处风环境和主梁11振动状态的改变而实时调整姿态，以减小桥梁的气动升力矩，提高桥梁结构的风振性能的目的。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种主动型气动翼栅栏杆结构，其特征在于，包括：

主梁；

侧栏杆，设置于所述主梁的边缘处，所述侧栏杆至少有两个；

气动翼板，任意相邻两个所述侧栏杆之间均设置有多个所述气动翼板；及

驱动机构，用于驱动所述气动翼板转动；

每个所述气动翼板均连接有一所述驱动机构，所述气动翼板与所述侧栏杆通过固定铰相连；

所述侧栏杆的高度为1.60m，所述气动翼板的宽度为2m，任意相邻两个所述气动翼板的间距为0.35m。

2.根据权利要求1所述的主动型气动翼栅栏杆结构，其特征在于，所述驱动机构包括伺服电机，所述伺服电机的输出轴与所述气动翼板的侧面的中部相连。

3.根据权利要求1所述的主动型气动翼栅栏杆结构，其特征在于，任意相邻两个所述侧栏杆之间设置有三个所述气动翼板。

4.一种控制方法，用于控制权利要求1-3任一项所述气动翼板的转动，其特征在于，包括如下步骤：

设定所述主梁的扭转运动的函数；

根据所述主梁的扭转运动的函数导出所述主梁的扭转加速度的函数；

选择所述气动翼板与所述主梁之间运动的相位差和从所述主梁振幅到所述气动翼板振幅的放大系数为控制参数；

导出所述气动翼板的扭转运动函数形式；及

根据所述气动翼板的扭转运动函数形式控制所述气动翼板的转动。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，

所述主梁的扭转运动的函数为

所述主梁的扭转加速度为

按如下公式导出所述气动翼板的扭转运动函数形式：

其中，A_α为所述主梁的振动振幅，ω_α为所述主梁运动的圆频率，

为所述主梁运动时刻0的相位，

是时刻t的相位，

为所述气动翼板与所述主梁之间运动的相位差，G为所述主梁振幅到所述气动翼板振幅的放大系数。

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