用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板、控制系统及方法

1.本发明涉及公路安全交通技术领域，尤其涉及一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板、控制系统及方法。


背景技术：

2.当前，公路交通在我国经济发展中发挥着举足轻重的作用。桥梁是公路交通运输系统的重要组成部分，是跨越河海和峡谷地形的重要结构设施，是国家经济发展中的重要基础设施。近年来，随着现代施工技术的发展、设计理论和计算方法的不断进步，桥梁主梁结构往轻柔化和低阻尼的方向发展。在这种发展形势下，桥梁对风的作用较为敏感，尤其是位于河海和峡谷地区的桥梁。风对桥梁的影响，不仅要考虑高风速情况下，桥梁发生颤振和静风失稳；还应考虑低风速情况下，桥梁发生涡振，影响车辆行驶的平稳性。
3.现阶段使用较多的桥梁涡振抑制措施是被动抑制措施，例如采用阻尼器或增加附属设施以改变主梁断面外形。其中，调谐质量阻尼器(tmd)是一种被动吸能减振装置，适合用于单一模态下大桥涡振控制。此外，在桥梁栏杆处设置扰流板是控制低风速下桥梁涡振的有效方法，随着扰流板高度增加，涡振减振效果有提高的趋势。然而，在高风速段，桥梁不易产生涡振，较高的扰流板不但难以起到很好的桥梁减振作用，甚至还会降低桥梁的静风稳定性。
4.随着对桥梁涡振控制研究的深入，近年来出现了许多新的措施。赵林等提出在分体式双箱梁的分体箱内侧布置压电片来抑制主梁涡振现象。该发明未改变桥梁断面形状，只要双箱梁空隙内存在涡脱现象就开始发挥作用，但不能随桥梁涡振位移变化调整强度。王浩等提出大跨桥梁钢箱梁低风速下涡振控制的吹气方法，自动调节钢箱梁两侧吹气装置的速度以干扰桥梁涡脱现象的形成。该发明通过风速风向传感器实时监测数据以指导控制系统调节吹气速度，自动化程度高，但吹吸气装置需在钢箱梁侧面打孔，适用范围不广。张晗等利用水平轴风力机产生顺流向螺旋状涡结构来控制主梁涡振。风力机在来流风作用下旋转，进而产生大尺度的顺流向涡来抑制主梁展向涡的形成和发展，进而抑制主梁的涡振。但水平轴风力机只能利用风能使叶片旋转发挥作用，作用效果与来流风速大小相关，来流风速较小时叶片旋转作用小，不能准确高效地抑制低风速下桥梁的涡振。
5.为防止相向行驶的汽车在夜间会车时产生眩光现象，通常会在高速公路中央隔离带中设置防眩板。根据防眩板的结构形式和以往的研究可知，相比于高速公路普通路段上安装的防眩板，桥梁上的防眩板常面对变化更大的风环境，多次面对风速较大的强风天气使防眩板频繁出现较大幅度的左右摇摆，进而在防眩板与支座连接处出现裂缝，给交通带来安全隐患。杨春风等从行车安全的角度出发，提出了防眩板高度验算模型，并用该模型结合防眩板高度对交通安全影响关键系数进行模拟仿真验证。该方法未考虑防眩板自身和桥梁的安全性，而桥梁断面形状的任何微小改变，均会对涡振性能产生巨大的影响。李旭峰等设计了增加竖向筋的防眩板，增加在强风环境下防眩板的整体抗风能力。但该发明不能对防眩板的角度进行调整，防眩板角度固定，仅考虑了高风速下防眩板本身的安全性，并未考
虑低风速下其对桥梁涡激振动的影响。以上方法中的防眩板仍为传统的交通安全设施，在面对变化的风环境时不能为提高桥梁安全性提供协助作用。
6.综上所述，亟需研发一种可以应对桥梁涡振的防眩板及相应的控制系统，同时兼顾行车安全、桥梁安全、防眩板安全这三方面要求，主动控制防眩板转动情况，以达到最优的涡振控制效果。


技术实现要素：

7.鉴于上述现有技术的不足之处，本发明提供了一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板、控制系统及方法，能同时兼顾行车安全、桥梁安全、防眩板安全这三方面要求。
8.第一方面，提供了一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板，包括旋转防眩板、转动装置、底座，所述转动装置安装于所述底座上，所述旋转防眩板安装于所述转动装置上。
9.进一步地，所述旋转防眩板通过连接件安装于所述转动装置的动力输出端。
10.进一步地，所述底座包括底板及设置于底板上支撑腿。
11.第二方面，提供了一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板控制系统，应用于桥梁上，其包括多个如上所述的可调防眩板、多个第一风速风向传感器、多个主梁位移检测装置、控制系统及供电系统；
12.所述供电系统为所述可调防眩板、多个第一风速风向传感器、多个主梁位移检测装置及控制系统供电；
13.所述多个可调防眩板沿桥向间隔布设在桥梁的中间；
14.所述多个第一风速风向传感器设置于所述桥梁的两侧，用于检测风速风向数据并传输至控制系统；
15.所述多个主梁位置检测装置沿桥向间隔设置，用于检测主梁位移数据并传输至控制系统；
16.所述控制系统根据接收的风速风向数据及主梁位移数据控制可调防眩板的启停及转速。
17.进一步地，所述控制系统内存储有涡振风速区间及不同涡振阶数情况下对应的可调防眩板最优转速。
18.进一步地，所述涡振风速区间及不同涡振阶数情况下对应的可调防眩板最优转速通过如下方法得到：
19.基于目标桥梁建立桥梁模型及可调防眩板模型；
20.基于桥梁模型和可调防眩板模型进行cfd数值模拟，得到涡振风速区间及不同涡振阶数情况下对应的可调防眩板最优转速。
21.进一步地，还包括多个沿桥向间隔设置于桥梁中间的第二风速风向传感器，用于检测经可调防眩板扰流后的风速风向数据并传输至控制系统。
22.进一步地，所述供电系统包括桥上供电系统、蓄电池、应急电源，所述桥上供电系统与所述蓄电池连接。
23.第三方面，提供了一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板控制方法，基于如上所述的可调防眩板控制系统进行控制，步骤包括：
24.s1：实时获取主梁位移数据及风速风向数据；
25.s2：判断主梁最大位移是否大于预设位移阈值，若是，进入步骤s3；
26.s3：判断风速是否在预设涡振风速区间内，若否，则发出报警信号；若是，则进入步骤s4；
27.s4：根据实时桥梁全路段主梁位移数据计算桥梁实时涡振阶数，并选择与桥梁实时涡振阶数对应的可调防眩板最优转速对可调防眩板进行控制；
28.s5：按预设时间间隔重新获取主梁位移数据及风速风向数据，并重复步骤s2至s5。
29.进一步地，所述步骤s2还包括：
30.若主梁最大位移未超过预设位移阈值，则判断风速是否大于预设风速阈值，若是，则随风向变化调整可调防眩板角度，若否，则控制可调防眩板不转动。
31.有益效果
32.本发明提出了一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板、控制系统及方法，可调防眩板具备旋转功能，可根据桥址处实时风向风速及桥梁的涡振阶数选择对应的可调防眩板最优转速控制可调防眩板进行转动，以进行扰流，可起到抑制桥梁涡振的作用；同时可调防眩板随风向变化而调整角度，使之迎风面积最小，以应对强风天气使防眩板摇摆的问题，避免防眩板损坏带来安全隐患；同时还具备防眩功能，确保行车安全。即同时兼顾行车安全、桥梁安全、防眩板安全这三方面要求，主动控制防眩板转动情况，以达到最优的涡振控制效果。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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。
34.图1是本发明实施例提供的一种可调防眩板结构示意图；
35.图2是图1提供的实施例中可调防眩板的主视图；
36.图3是本发明实施例提供的可调防眩板控制系统结构及工作原理示意图；
37.图4是本发明实施例提供的可调防眩板控制系统在桥梁上的布置图；
38.图5是本发明实施例提供的主梁位移检测装置布置位置示意图；
39.图6是本发明实施例提供的可调防眩板最优转速获取流程图；
40.图7是本发明实施例提供的可调防眩板控制方法流程图。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”、“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”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的限制。
43.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或顺序。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
44.实施例1
45.如图1及图2所示，本实施例公开了一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板，包括旋转防眩板1、转动装置4、底座，所述转动装置4安装于所述底座上，所述旋转防眩板1安装于所述转动装置4上。
46.本实施例中，所述转动装置4包括电机及外部的防护壳体；所述旋转防眩板1通过连接件与所述电机的输出轴连接。所述连接件包括连接板2及支撑板3，旋转防眩板1通过连接板2与支撑板3连接，支撑板3与电机的输出轴连接。
47.其中，所述底座包括底板7及设置于底板上支撑腿，支撑腿包括可拆卸连接的第一支撑腿5和第二支撑腿6。
48.该可调防眩板结构简单，且各部件之间采取可拆卸的连接方式，安装及拆卸方便，也便于更换部件。实际应用时，可调防眩板可沿桥梁的桥向布设在桥梁中间，在无风情况下，可固定不动；在桥梁发生涡振时，可通过控制转动装置以控制旋转防眩板的转速，起到抑制桥梁涡振的作用；在强风天气下，可调防眩板随风向变化而调整角度，避免防眩板发生大幅度的左右摇摆导致损坏的情况。
49.实施例2
50.如图3至图5所示，本实施例公开了一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板控制系统，应用于桥梁上，其包括多个如实施例1所述的可调防眩板9、多个第一风速风向传感器8、多个主梁位移检测装置10、控制系统11及供电系统12；所述供电系统12为所述可调防眩板9、多个第一风速风向传感器8、多个主梁位移检测装置10及控制系统11供电；
51.所述多个可调防眩板9沿桥向间隔布设在桥梁的中间；所述多个第一风速风向传感器8设置于桥梁的两侧，用于检测风速风向数据并传输至控制系统11；所述多个主梁位置检测装置10沿桥向间隔设置于桥梁的中间，用于检测主梁位移数据并传输至控制系统11；所述控制系统11根据接收的风速风向数据及主梁位移数据控制可调防眩板9的启停及转速。
52.本实施例中，所述控制系统11内存储有涡振风速区间(即能使桥梁产生涡振的风速区间)及不同涡振阶数情况下对应的可调防眩板最优转速。如图6所示，具体实施时，可预先通过如下方法得到涡振风速区间及不同涡振阶数情况下对应的可调防眩板最优转速得到：
53.根据目标桥梁的设计图，得到桥梁的三维数值模型，即桥梁模型，然后通过fluent软件计算桥梁的涡振风速区间、涡振振型及涡振阶数；具体通过逐步改变风速风向，根据桥梁是否产生涡振，从而确定涡振风速区间，并同时计算出产生涡振时其对应的涡振振型及涡振阶数；
54.然后在桥梁模型上加上可调防眩板模型；
55.基于桥梁模型和可调防眩板模型使用fluent软件进行cfd数值模拟，针对某一涡
振阶数情况，通过模拟不同可调防眩板转速下的涡振抑制效果，得到不同涡振阶数情况下对应的可调防眩板最优转速，也即最佳减振方案。
56.优选地，还包括多个沿桥向间隔设置于桥梁中间的第二风速风向传感器，用于检测经可调防眩板扰流后的风速风向数据并传输至控制系统11。可用于获取经可调防眩板扰流后的风速风向数据并进行存储，以便后期分析可调防眩板的扰流减振效果，作进一步研究。
57.本实施例中，所述供电系统12包括桥上供电系统、蓄电池、应急电源，所述桥上供电系统与所述蓄电池连接。正常情况下桥上供电系统(即市电)为可调防眩板控制系统供电，并同时对蓄电池充电，当桥上供电系统断电时，蓄电池为可调防眩板系统供电；当桥上供电系统断电，蓄电池亏电时，应急电源用于为控制系统供电，具体的供电控制电路为本领域常规技术，在此不进行赘述。
58.具体实施时，该可调防眩板控制系统的布置如图4、图5所示，主梁位移检测装置10沿桥向间隔设置，主梁位移检测装置10可选用gps接收机；第一风速风向传感器8设置在桥梁两侧，第二风速风向传感器沿桥向间隔设置于桥梁中间，第一风速风向传感器及第二风速风向传感器可选择设置于路灯上。
59.实施例3
60.基于上述实施例2公开的用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板控制系统，本实施例提供了一种用于抑制桥梁涡振的智能可调防眩板控制方法，基于如实施例2所述的可调防眩板控制系统进行控制，如图7所示，步骤包括：
61.s1：主梁位移检测装置及第一风速风向传感器分别实时获取主梁位移数据及风速风向数据，并传输至控制系统；
62.s2：控制系统首先判断主梁最大位移是否大于预设位移阈值(如0.2倍规范限值，主梁最大位移小于0.2倍规范限值时，车辆行驶安全性和舒适性都可以满足要求)：
63.若否，则判断风速是否大于预设风速阈值(该预设风速阈值大于涡振风速区间的上限值)：若是，随风向变化调整可调防眩板角度；若否，则控制可调防眩板不转动，可调防眩板发挥基础防眩光作用；
64.若是，进入步骤s3；
65.s3：判断风速是否在预设涡振风速区间内：
66.若否，则发出报警信号，具体可通过增设一个与控制系统连接的通信模块将报警信号发出至上级监管平台，以及时排查引起桥梁主梁位移过大的原因，同时将可调防眩板固定角度，起放眩光作用；一定时间范围内持续监测桥址处风速风向及主梁位移数据并储存至控制系统的存储模块中；
67.若是，则进入步骤s4；
68.s4：根据实时桥梁全路段主梁位移数据计算桥梁实时涡振阶数，并选择与桥梁实时涡振阶数对应的可调防眩板最优转速对可调防眩板进行控制；
69.s5：按预设时间间隔重新获取主梁位移数据及风速风向数据，并重复步骤s2至s5。
70.上述工作过程中采集的数据均整合成工作日志，存储至控制系统的存储模块中，以便后续研究。
71.可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中
未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
72.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所展示或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
73.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。