专利名称：抑制分离式箱梁涡激振动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风致振动控制技术，具体说就是一种抑制分离式箱梁涡激振动控制系统。
背景技术：
随着跨度的增加，桥梁变得越来越柔，阻尼也将越来越小，这必将使大跨度桥梁的风效应显著增强。对于大跨度桥梁而言，涡激振动是一种典型的风致振动现象。涡激振动是指当流体绕过桥面时，在箱梁断面的尾部将产生旋涡脱落，当旋涡脱离的频率与主梁某阶固有频率相近时，此时将产生大幅的涡激共振。虽然涡激振动是一种限幅振动，但它在小风速下就可能发生(对于大跨度悬索桥而言，一般为4-12m/s)，诱发频率高且振动幅值较大， 影响行车安全，还可能产生长时间的疲劳损伤。目前，在一些大跨度桥梁上均出现到了涡激振动现象，比如丹麦的大海带东桥，日本的东京湾大桥等。对于超大跨度悬索桥梁而言，为了获得较高的临界颤振风速，一般将主梁设计成分离式箱梁形式。虽然这种形式的箱梁断面具有较好的气动稳定性，但由于两个箱梁间空隙的存在，使得箱梁周围的流场结构异常复杂，旋涡脱落特性显著增强，从而加剧了主梁涡激振动。目前关于分离式箱梁涡振控制措施的还相对较少，因此有必要针对分离式箱梁的涡激振动开发一套简单、安全和实用性强的涡激振动控制装置和相应的控制系统。目前，大跨度桥梁主梁涡激振动控制措施主要有两种一种方法是在箱梁下表面角点附近安装导流板；另外一种方法是在箱梁内安装被动调谐质量阻尼器，即TMD。安装导流板控制措施的原理是利用导流板中的高速气流将脱落的旋涡打碎，从而达到减轻或消除涡激振动的目的。该方法在大跨度桥梁涡振控制中运用较为广泛，最典型的一个运用实例是该控制措施成功抑制了丹麦大海带东桥的涡激振动。但是，张伟等利用PIV技术对大海带东桥导流板对流场作用的机理进行研究发现在低风速区导流板能够消除箱梁底部的旋涡；在高风速区，导流板虽不会对箱梁底部的流场造成显著的影响，但会改变尾迹区旋涡的分布状态，对颤振稳定性产生不利影响。此外，Larose对昂船州大桥导流板风洞试验发现，Re数对导流板的减振效果具有重要的影响，Re数较低时，壁面边界层较厚，导流板浸没于边界层内，没有足够的气流通过，从而无法将形成的旋涡打碎。目前导流板的设计一般以风洞缩尺模型试验为基础，然而风洞试验Re数无法达到现场足尺Re数，因此设计出的导流板在现场实桥中是否能起到很好的控制效果，仍需进一步研究。TMD的工作原理是通过调节TMD自身的质量、刚度和阻尼系统将结构振动的能量传递到TMD上，从而达到减弱结构振动的目的。Fujino针对东京湾大桥出现的涡激振动，开发了一种用于控制箱梁竖向涡振的 TMD控制装置，该控制装置安装于实桥后取得了良好的控制效果。但对于大跨度悬索桥梁而言，经常发生不同模态下的涡激振动，而TMD —般只能控制某一阶振型的响应，这一特征将严重限制TMD在大跨度悬索桥梁涡振控制中的运用。此外TMD自身质量较重，这无疑会极大增加桥梁竖向荷载。目前，运用于桥梁涡振控制的措施一般都是永久性的，不具有可控性，若能针对流
3场的特点，主动改变桥梁流场，使桥梁在各个阶段都具有较好的气动特性，则能达到较好的控制效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制分离式箱梁涡激振动控制系统。本发明的目的是这样实现的它是由涡激振动感知单元、涡激振动控制单元、涡激振动制动单元和涡激振动控制板单元组成的，其特征在于涡激振动感知单元连接涡激振动控制单元，涡激振动控制单元连接涡激振动制动单元，涡激振动制动单元连接涡激振动控制板单元。本发明还有以下技术特征(1)所述的涡激振动感知单元包括两个单向高精度加速度传感器、两个三维超声风速仪、A/D数据采集卡和工控机，两个单向高精度加速度传感器和两个三维超声风速仪连接A/D数据采集卡，A/D数据采集卡连接工控机。(2)所述的涡激振动控制单元由D/A转换卡组成。(3)所述的涡激振动制动单元由四台电机、四根导向轨道和两根导向杆构成，电机连接导向轨道和导向杆。(4)所述的涡激振动控制板单元由四块轻质碳纤维板组成，碳纤维板之间由合页连接，可自由伸展和折叠，第一块碳纤维板与箱梁侧壁上方连接方式也是合页连接，涡激振动发生时，在控制指令作用下控制板向前伸张将分离式箱梁空隙封闭，涡激振动结束时，在控制指令作用下控制板向后折叠，将空隙打开。本发明一种抑制分离式箱梁涡激振动控制系统，所述的涡激振动控制板单元在涡激振动发生时自动将空隙封闭，从而完全消除分离式箱梁的涡激振动。此外涡激振动结束后，涡激振动控制板单元的控制板能自动收缩至折叠状态，从而避免对大跨度桥梁的颤振效应产生影响。研究表明，分离式箱梁的涡激振动主要受空隙处旋涡的脱落影响，本发明抑制分离式箱梁涡激振动控制系统能够对现场大跨度桥梁的涡激振动迅速做出响应，进而采取相应的控制措施。
图1为抑制分离式箱梁涡激振动控制系统集成示意图；图2为抑制分离式箱梁涡激振动的控制系统涡激振动感知单元和涡激振动控制单元示意图，图中(1)高精度加速度传感器，⑵三维超声风速仪，⑶A/D数据采集卡， (4)数据采集软件，(5)数据分析软件，(6)涡激振动控制算法软件，(7)工控机，(8) :D/A 转换卡；图3为抑制分离式箱梁涡激振动控制系统涡激振动制动单元示意图，图中(9) 电机，(10)导向轨道，(11)导向杆;图4为抑制分离式箱梁涡激振动控制系统的伸展形式的涡激振动控制板单元示意图，图中(12)轻质碳纤维板，(13)合页；图5为抑制分离式箱梁涡激振动控制系统的折叠形式的涡激振动控制板单元示意图；图6为抑制分离式箱梁涡激振动控制效果图7为抑制分离式箱梁涡激振动控制系统所在位置示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明作进一步说明。实施例1 结合图1，本发明一种抑制分离式箱梁涡激振动控制系统，它是由涡激振动感知单元、涡激振动控制单元、涡激振动制动单元和涡激振动控制板单元组成的，涡激振动感知单元连接涡激振动控制单元，涡激振动控制单元连接涡激振动制动单元，涡激振动制动单元连接涡激振动控制板单元。本发明还有以下技术特征所述的涡激振动感知单元包括两个单向高精度加速度传感器、两个三维超声风速仪、A/D数据采集卡和工控机，两个单向高精度加速度传感器和两个三维超声风速仪连接 A/D数据采集卡，A/D数据采集卡连接工控机。所述的涡激振动控制单元由D/A转换卡组成。所述的涡激振动制动单元由四台电机、四根导向轨道和两根导向杆构成，电机连接导向轨道和导向杆。所述的涡激振动控制板单元由四块轻质碳纤维板组成，轻质碳纤维板之间由合页连接，可自由伸展和折叠，第一块轻质碳纤维板与箱梁侧壁上方连接方式也是合页连接，涡激振动发生时，在控制指令作用下轻质碳纤维板向前伸张将分离式箱梁空隙封闭，涡激振动结束时，在控制指令作用下轻质碳纤维板向后折叠，将空隙打开。实施例2 结合图1-图4，本发明抑制分离式箱梁涡激振动控制系统包括四个部分涡激振动感知单元、涡激振动控制单元、涡激振动制动单元和涡激振动控制板单元。涡激振动感知单元实时采集和分析桥面加速度和桥址自由风场风速。涡激振动控制单元实时判断桥梁是否发生涡激振动或涡激振动是否消失，进而发出控制指令，该单元主要由涡激振动控制算法软件和D/A转换卡构成。涡激振动制动单元根据涡激振动控制单元发出的指令采取动作，涡激振动控制板单元由四块轻质碳纤维板(1 组成，轻质碳纤维板之间由合页(1 连接，可自由伸张和折叠。第一块轻质碳纤维板与箱梁侧壁上方连接方式也是合页连接方式。涡激振动发生时，在控制指令引导下轻质碳纤维板向前伸张将分离式箱梁空隙封闭；涡振激振动结束时，在控制指令引导轻质碳纤维板向后折叠，将空隙打开。涡激振动感知单元实时采集桥面加速度和桥面周围自由风速信号，并对这些信号按一定时距处理，得到一定时距下的加速均方值、平均风速、平均风向角和湍流度。然后涡激振动控制单元实时调用感知单元中得到的一定时距下的桥面加速均方值、平均风速、平均风向角和湍流度并将这些参数代入控制程序，控制程序实时判断是否发生涡激振动或涡激振动是否消失。若涡激振动制动单元从涡激振动控制单元中得到控制指令，则带动控制板进行向前伸展或向后收缩运动，直到达到目标位置为止。实施例3，结合图6，本发明抑制分离式箱梁涡激振动控制系统的有效性在风洞试验中得到很好的验证，图6为分离式箱梁涡激振动在有控和无控下分离式箱梁振动位移均方值随折减风速的变化(实线代表无控的结果，虚线代表使用本发明的控制装置后的结果)。图6中的RMS(y)表示对振动位移取均方根值，D为分离式箱梁中心高度，Ur表示折减风速，U为来流风速，fvertical为分离式箱梁某阶竖向固有频率，B为分离式箱梁总宽度。
从图6中可知，控制前，分离式箱梁发生了显著的涡激振动；控制后，分离式箱梁的振动几乎为零，控制效果极其显著。实施例4，结合一个具体涡激振动控制实例，说明抑制分离式箱梁涡激振动控制系统工作流程。感知单元实时采集桥面加速度和桥面周围自由风速信号，并对这些信号按 10分钟时距处理，得到10分钟时距下的加速均方值25cm/s2、平均风速12m/s、平均风向角 270°和湍流度4%。然后控制单元实时调用感知单元中得到的10分钟时距下的桥面加速均方值、平均风速、平均风向角和湍流度并将这些参数代入控制程序。加速度大于lOcm/s2， 平均风速处于5-13m/s间，平均风向角位于沈5° -280°，湍流度小于8%，控制程序判定此时发生涡激振动，制动单元从控制单元中得到控制指令，作动器带动轻质碳纤维板进行向前伸展运动，将空隙封闭。感知单元实时采集桥面加速度和桥面周围自由风速信号，并对这些信号按10分钟时距处理，得到平均风向角220。然后控制单元实时调用感知单元中得到的10分钟时距下的桥面加速均方值、平均风速、平均风向角和湍流度并将这些参数代入控制程序。平均风向角小于265°，控制程序判定此时未发生涡激振动，制动单元从控制单元中得到控制指令，作动器带动轻质碳纤维板进行向后收缩运动，将空隙打开。实施例5，结合图1、图2、图3和图4，本发明抑制分离式箱梁涡激振动控制系统包括四个部分感知单元部分、控制单元部分、制动单元部分和涡激振动控制板装置。感知单元部分实时采集和分析桥面加速度和桥址自由风场风速，该单元主要由两个单向高精度加速度传感器、两个三维超声风速仪、一块A/D数据采集卡、一套数据采集软件、一套数据实时分析软件和一台工控机组成；控制单元部分实时判断桥梁是否发生涡激振动或涡激振动是否消失，进而发出控制指令，该单元主要由涡激振动控制算法软件和D/A转换卡构成；制动单元部分根据控制单元发出的指令采取动作，该单元主要由四台同步电机、四个导向轨道和两根导向杆组成；涡激振动控制板装置由四块轻质碳纤维板组成，碳纤维板之间由合页连接，可自由伸张和折叠。第一块碳纤维板与箱梁侧壁上方连接，连接件为合页。第四块纤维板与导向杆连接。涡激振动发生时，在控制指令引导下，导向杆在电机的带动下向前运动，处于折叠状态的轻质碳纤维板在导向杆的带动下，相继展开，直至四块轻质碳纤维板完全展开将空隙封闭；涡振激振动结束时，在控制指令引导下，导向杆在电机的带动下向后运动，处于展开状态的轻质碳纤维板在导向杆的带动下，相继折叠，直至空隙完全打开。
权利要求
1.一种抑制分离式箱梁涡激振动控制系统，它是由涡激振动感知单元、涡激振动控制单元、涡激振动制动单元和涡激振动控制板单元组成的，其特征在于涡激振动感知单元连接涡激振动控制单元，涡激振动控制单元连接涡激振动制动单元，涡激振动制动单元连接涡激振动控制板单元。
2.根据权利要求1所述的抑制分离式箱梁涡激振动控制系统，其特征在于所述的涡激振动感知单元包括两个单向高精度加速度传感器、两个三维超声风速仪、A/D数据采集卡和工控机，两个单向高精度加速度传感器和两个三维超声风速仪连接A/D数据采集卡，A/D 数据采集卡连接工控机。
3.根据权利要求1所述的抑制分离式箱梁涡激振动控制系统，其特征在于所述的涡激振动控制单元由D/A转换卡组成。
4.根据权利要求1所述的抑制分离式箱梁涡激振动控制系统，其特征在于所述的涡激振动制动单元由四台电机、四根导向轨道和两根导向杆构成，电机连接导向轨道和导向杆。
5.根据权利要求1所述的抑制分离式箱梁涡激振动控制系统，其特征在于所述的涡激振动控制板单元由四块轻质碳纤维板组成，轻质碳纤维板之间由合页连接，可自由伸展和折叠，第一块轻质碳纤维板与箱梁侧壁上方连接方式也是合页连接，涡激振动发生时，在控制指令作用下轻质碳纤维板向前伸张将分离式箱梁空隙封闭，涡激振动结束时，在控制指令作用下轻质碳纤维板向后折叠，将空隙打开。
全文摘要
本发明提供一种抑制分离式箱梁涡激振动控制系统。涡激振动感知单元连接涡激振动控制单元，涡激振动控制单元连接涡激振动制动单元，涡激振动制动单元连接涡激振动控制板单元。涡激振动感知单元的两个单向高精度加速度传感器和两个三维超声风速仪连接A/D数据采集卡和工控机。涡激振动制动单元的电机连接导向轨道和导向杆。涡激振动控制板单元的四块轻质碳纤维板可自由伸展和折叠。本发明的涡激振动控制板单元在涡激振动发生时自动将空隙封闭，从而完全消除分离式箱梁的涡激振动。控制板能自动收缩至折叠状态，避免对大跨度桥梁的颤振效应产生影响。本发明能够对现场大跨度桥梁的涡激振动迅速做出响应，进而采取相应的控制措施。
文档编号E01D19/00GK102505627SQ201110365848
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者李惠, 赖马树金 申请人:哈尔滨工业大学