CN207987704U - 一种抑制桥梁颤振及涡振的翼板系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种抑制桥梁颤振及涡振的翼板系统。包括一个以上主梁节段，主梁节段设置有运动信号采集模块，两侧分别设置有翼板和控制翼板扭转的扭转装置；还包括风速采集装置和主机。运动信号采集模块、扭转装置和风速采集装置分别连接到主机，主机根据运动信号采集模块采集的振动数据以及风速采集装置采集的风速，通过扭转装置分别控制主梁节段两侧的翼板的扭转角度，以抑制桥梁颤振及涡振。本实用新型能根据桥梁的振动数据和风速实时调整翼板的迎风角度，使桥梁快速脱离涡振及颤振发散等不利桥梁健康的状态。
Description
技术领域
本实用新型涉及大跨度桥梁抗风领域，具体为一种抑制桥梁颤振及涡振的翼板系统。
背景技术
桥梁断面从最初的桁架形式发展到了现在的流线型箱梁。流线型箱梁的使用使得大跨度桥梁既可以减小结构横载并减少后期维护，又能增加结构的扭转刚度并减小气动力。但随之而来的问题是，其颤振情况更易于产生耦合振动的发散，所以需要深入研究来抑振。早期，研究者采用放置在主梁两侧的调谐质量阻尼器(TMD)来调整桥梁颤振的频率，但是这种措施稳定性不好，抑振效果不突出。也有采用内置于主梁的水箱来改变结构重心，此举可显著增加颤振临界风速。采用流线型箱梁形式和被动措施都可以有效抑制颤振振动，但是研究表明其仅适用于主跨跨径不超过3000m的桥梁。而随着日益增加的跨海工程桥梁建设的需求，采用主动控制措施来抑制颤振是一值得深入研究的课题。
针对这一问题的现有技术如下：
一、分离式气动翼板
2002年，刘高基于前辈学者对于分离式气动翼板主动控制对颤振临界风速的研究。该作者基于非定常气动力理论，从增加系统扭转阻尼的角度进行了进一步的探索。根据系统气动力方程推导出了由翼板主动扭转为系统提供的气动阻尼的表达式，确定了翼板气动阻尼达到最大值对扭转幅值、相位角等参数的满足条件，从理论上深入地分析了各参数对气动阻尼的影响。其结果也与前人的试验结果基本吻合。文中给出了理论数据，选取适当的翼板主动扭转参数可以达到明显的抑振效果，且抑振效果大大优于固定翼板。
二、主动风嘴翼板
1998年，Hansen和Thoft-Christensen将主动控制翼板集成在主梁两侧，对于提高美观和抑振都有一定价值。该文从Theodorsen势能原理上进行发展，假设迎风侧翼板对流经气流的涡旋没有影响，所以推导出翼板的气动力分别是其转角一阶、二阶导数的线性表达式。
2001年，Wilde,Omenzetter和Yozo Fujino也做了对象是主动控制翼板集成在主梁风嘴处的研究，运用Theodorsen对于机翼-尾翼-腹板的方程式，通过有理函数逼近的方法得到气动力的时域表达式，以基于系统稳定鲁棒性的表现因子来计算出最优翼板的设置参数。
综上所述，现有技术存在的问题是：
1.国内尚没有专门针对主动风嘴翼板抑制桥梁颤振、涡振的控制系统。
2.国外类似装置构件组成复杂且主动翼板不可移动，仅在风洞试验中能实现特定的试验，投入成本高。
3.国外大多数主动控制技术多处在理论验证阶段，尚未有试验验证。
实用新型内容
本实用新型提供了一种抑制桥梁颤振及涡振的翼板系统，用于桥梁主动抗风节段试验以及桥梁实际建设中对桥梁颤振发散、涡振进行主动控制。
本实用新型所采用的技术方案为：
一种抑制桥梁颤振及涡振的翼板系统，所述桥梁包括一个以上主梁节段；
所述主梁节段设置有运动信号采集模块，位于主梁节段的形心处，用于采集主梁节段在风致振动作用下的振动数据；
所述主梁节段的两侧分别设置有翼板，翼板的一端活动连接到主梁节段的侧边；
所述主梁节段还设置有分别控制两侧的翼板扭转的扭转装置；
还包括风速采集装置，用于采集风向和风速；
还包括主机，所述运动信号采集模块、扭转装置和风速采集装置分别连接到主机，主机根据运动信号采集模块采集的振动数据以及风速采集装置采集的风速，通过扭转装置分别控制所述主梁节段两侧的翼板的扭转角度。
进一步地，所述扭转装置设置在主梁节段的内部。
进一步地，所述扭转装置包括电机控制器和电机；电机的输出轴连接到第一传动杆的一端，第一传动杆的另一端通过第二传动杆连接到第三传动杆的一端，第三传动杆的另一端连接到翼板。
进一步地，所述翼板与主梁节段的连接处还设置有过渡气流的盖板，盖板的一端活动连接到主梁节段的侧边，另一端具有一个延伸部；翼板的表面设有滑槽，盖板的延伸部置于滑槽内滑动。进一步地，所述盖板为两个，分别设置在所述翼板的上、下两侧。
进一步地，所述运动信号采集模块包括陀螺仪和加速度传感器。
进一步地，所述主梁节段的长度为8米～10米。
进一步地，所述主梁节段的箱梁宽度与翼板的弦长之比为12∶1。
本实用新型的有益效果是：能根据桥梁主梁节段的振动数据以及风速实时调整翼板的角度，使桥梁快速脱离涡振及颤振发散等不利桥梁健康的状态；能保证翼板在调整角度的过程中气流能从翼板上平滑地过渡；同时也为风洞试验和主动气动控制的控制律研究提供了试验平台。
附图说明
图1为翼板与主梁节段连接的局部结构立体示意图；
图2为翼板与主梁节段连接的局部结构侧视图；
图3为翼板与主梁节段的连接侧视图；
图4为扭转装置结构简图；
图5为多个主梁节段中设置翼板、运动信号采集模块以及扭转装置的电机的示意图；
图6为翼板系统具体应用到桥梁的示意图；
图7为实验室内测量主梁节段运动信号的模型示意图。
图中各标号为：1-主梁节段，2-翼板，3-盖板，4-滑槽，5-电机，6-第一传动杆，7-第二传动杆，8-第三传动杆，9-运动信号采集模块，10-左激光位移计，11-右激光位移计。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
桥梁包括一个以上主梁节段1，每个主梁节段1的两侧分别设有一个翼板2，翼板2的尾端活动连接到主梁节段1的边缘，可根据主梁节段1的振动情况通过扭转装置做可控的反馈扭转运动。扭转装置包括电机5，电机5安装在可调电机支架上，可根据翼板2的位置需求调节电机5的位置。电机5用于驱动翼板2的扭转运动。电机5的输出轴固定连接到第一传动杆6的一端，第一传动杆6的另一端通过第二传动杆7铰接到第三传动杆8的一端，第三传动杆8的另一端固定连接到翼板2的尾部。电机5及传动杆均设置在主梁节段1的箱梁空腔内部，以避免影响箱梁的气动外形。
翼板2的上方和下方分别设有一个紧贴翼板2的盖板3，盖板3的一端活动连接到主梁节段1的边缘，另一端具有一个延伸部。翼板2的边缘设有滑槽4，盖板3的延伸部置于滑槽4内并可在滑槽4内滑动，以避免翼板2与主梁节段1的连接处有较大空隙，保证连接处的气流能平滑过渡翼板2，以避免产生较大的冲击力。
主梁节段1在风致振动作用下的运动信号由运动信号采集模块9获取，通过信号放大与滤波处理后获取振动的竖向和扭转运动特征。运动信号采集模块9设于主梁节段1的形心处，包括陀螺仪和加速度传感器等部件，用于采集该段主梁节段1的振动数据，该数据将实时用于主机融合计算并反馈运动控制信号给电机5。根据主梁节段1的竖向和扭转运动特征，主机通过系统参数识别以及最优控制算法输出控制信号给电机控制器，由电机控制器驱动电机5作实时反馈运动；通过翼板2的可控反馈运动来实时改变风对主梁节段1作用的气动力，可使主梁节段1快速脱离涡振及颤振发散等不利桥梁健康和危及桥梁安全的状态。
主梁节段1的长度为8～10m，翼板2选用NACA0012对称翼型，翼板2的弦长通常以箱梁宽度∶弦长＝12∶1的比例来选取，以达到有效的控制效率。翼板2主要由两根碳纤维管和玻璃钢材料复合材料制作而成，其结构重量相对于桥梁的自重可忽略不计。
上述翼板系统抑制颤振的控制方法是：主机根据所述主梁节段的运动信号采集模块采集的振动数据以及风速采集装置采集的风速，识别颤振后，通过扭转装置分别控制所述主梁节段两侧的翼板i扭转，扭转角度为fi(t)：
其中，
i＝1表示主梁节段一侧的翼板，i＝2表示主梁节段另一侧的翼板，翼板i的初始位置与主
梁节段平行；
A表示翼板的控制面放大系数；
w1表示扭转振动参量权重；
w2表示竖向运动参量权重；
θi表示翼板i相对扭转运动的相位滞后；
H表示主梁节段的特征宽度；
α表示扭转运动的转角；
h表示竖向运动的振幅；
ω表示正弦运动的角频率；
t表示时间；
φ0表示扭转运动的时程相位；
Δφ表示竖向运动时程与扭转运动时程的相位差。
上述方法中，翼板i的扭转角度fi(t)中参数θi为敏感控制参数，因桥梁节段外形的不同而不同。θi参数的获得需要在实验室中进行主梁节段外形的寻参试验，在0°-360°相位范围内寻找θi的优化段，使翼板i的扭转角度fi(t)在参数θi的优化段内运动即可。已建成桥梁还需要根据实际的振动信号数据对实桥的运动特性分析后进行参数θi的进一步优化以达到自适应控制的效果。
上述方法中，识别颤振可采用以下方法：风速达到或接近颤振临界风速Ucr，且振幅呈颤振发散状态初期。
上述翼板系统抑制涡振的控制方法是：主机根据所述主梁节段的运动信号采集模块采集的振动数据以及风速采集装置采集的风速，识别涡振后，通过扭转装置分别控制所述主梁节段两侧的翼板扭转，改变涡振风速区间。
上述方法中，识别涡振可采用以下方法：风速达到涡振风速区间(U)、振动频率接近主梁节段自振频率fs且振幅低于主梁节段竖向运动的最大振幅ymax。
实际使用中，抑制涡振时两侧翼板均从与主梁节段平行的初始位置向下扭转30°，通过改变结构外形改变斯托拉哈数以达到改变涡振风速区间的效果；当风速再接近控制后的涡振风速区间时，仅需将翼板调回原状态即可。
翼板系统抑制颤振及涡振的原理如下：
在实验室中，由激光位移计采集主梁节段的运动信号(该运动信号包括竖向正弦运动h(t)和扭转正弦运动α(t))并通过解耦公式来得出竖向正弦运动h(t)和扭转正弦运动α(t)的值。以小位移假定为前提，主梁节段的颤振运动是以主梁中心线的某一点为运动中心的竖向正弦运动和扭转正弦运动的叠加，以此运动中心为原点建立主梁节段的数学运动模型。对应主梁节段中心线的左右两侧分别安装有左激光位移计10和右激光位移计11，左激光位移计10和右激光位移计11之间的直线距离为L。左激光位移计10采集到的运动时程函数为f1(t)，右激光位移计11采集到的运动时程函数为f2(t)，f1(t)和f2(t)可拟合为正弦函数和其中A1和A2为拟合出的振幅，ω为正弦运动的角频率，t为时间，和为拟合出的相位角。两个激光位移计采集到的运动时程函数f1(t)和f2(t)可以用于计算主梁节段的实际运动时程，即竖向正弦运动h(t)和扭转正弦运动α(t)。同样的，可以认为竖向正弦运动和扭转正弦运动的时程为正弦函数，即 为了控制系统建模的方便，认为则公式变为
由左激光位移计10和右激光位移计11采集到的信号计算竖向正弦运动h(t)和扭转正弦运动α(t)的公式为：
其中，L1表示左激光位移计10与运动中心的距离，
L2表示右激光位移计11与运动中心的距离，
α表示扭转正弦运动的转角，
h表示竖向正弦运动的振幅，
表示扭转正弦运动的时程相位，
表示竖向正弦运动时程与扭转正弦运动时程的相位差。
由于小位移假定，根据上述建立的数学运动模型，选取主梁节段的中心为运动中心，此时运动方程简化为：
两个激光位移计采集的信号通过滤波和解耦后形成的竖向扭转运动信号用于主机控制器进行分析运算并反馈给作动器驱动控制翼板作出相应的转角运动。其转角控制规律为：
其中，
A为翼板的控制面放大系数，
w1为扭转振动参量权重，
w2为竖向正弦运动参量权重，
θ为相对扭转正弦运动的相位滞后，
H为主梁节段的特征宽度。
上述参数中的A、w1、w2和θ与翼板系统的稳定性和控制效果有关。需要根据风洞试验来确定这四个参数的优化值，以达到抑振的目的。通常情况下最需要进行试验测试是θ。同时，w1的权重应大于w2。
实际情况中，主梁节段1的运动信号由信号采集模块9直接测得，不用再进行解耦运算。
其控制规律则由根据风洞试验所得的优化参数来设置。
Claims (8)
1.一种抑制桥梁颤振及涡振的翼板系统，所述桥梁包括一个以上主梁节段(1)，
其特征在于：
所述主梁节段(1)设置有运动信号采集模块，位于主梁节段(1)的形心处，用于采集主梁节段(1)在风致振动作用下的振动数据；
所述主梁节段(1)的两侧分别设置有翼板(2)，翼板(2)的一端活动连接到主梁节段(1)的侧边；
所述主梁节段(1)还设置有分别控制两侧的翼板(2)扭转的扭转装置；
还包括风速采集装置，用于采集风向和风速；
还包括主机，所述运动信号采集模块、扭转装置和风速采集装置分别连接到主机，主机根据运动信号采集模块(9)采集的振动数据以及风速采集装置采集的风速，通过扭转装置分别控制所述主梁节段两侧的翼板(2)的扭转角度。
2.根据权利要求1所述的翼板系统，其特征在于：所述扭转装置设置在主梁节段(1)的内部。
3.根据权利要求1所述的翼板系统，其特征在于：所述扭转装置包括电机控制器和电机(5)；电机(5)的输出轴连接到第一传动杆(6)的一端，第一传动杆(6)的另一端通过第二传动杆(7)连接到第三传动杆(8)的一端，第三传动杆(8)的另一端连接到翼板(2)。
4.根据权利要求1所述的翼板系统，其特征在于：所述翼板(2)与主梁节段(1)的连接处还设置有过渡气流的盖板(3)，盖板(3)的一端活动连接到主梁节段(1)的侧边，另一端具有一个延伸部；翼板(2)的表面设有滑槽(4)，盖板(3)的延伸部置于滑槽(4)内滑动。
5.根据权利要求4所述的翼板系统，其特征在于：所述盖板(3)为两个，分别设置在所述翼板(2)的上、下两侧。
6.根据权利要求1所述的翼板系统，其特征在于：所述运动信号采集模块(9)包括陀螺仪和加速度传感器。
7.根据权利要求1所述的翼板系统，其特征在于：所述主梁节段(1)的长度为8米～10米。
8.根据权利要求1所述的翼板系统，其特征在于：所述主梁节段(1)的箱梁宽度与翼板(2)的弦长之比为12∶1。
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|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| CN108035237A (zh) * | 2017-12-31 | 2018-05-15 | 西南交通大学 | 一种抑制桥梁颤振及涡振的翼板系统及其控制方法 |
| CN109235228A (zh) * | 2018-10-23 | 2019-01-18 | 西南交通大学 | 一种提高人行悬索连廊桥主梁驰振稳定性的开孔气动构造 |
| CN113089460A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-07-09 | 长安大学 | 一种大跨度桥梁用导风抑振系统 |
| CN115305802A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-11-08 | 西北工业大学 | 一种消除桥梁涡致振动的模态解耦器 |
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| CN113089460B (zh) * | 2021-05-08 | 2022-05-27 | 长安大学 | 一种大跨度桥梁用导风抑振系统 |
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Granted publication date: 20181019 Termination date: 20201231 |
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