一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置

本发明属于桥梁风致振动控制技术领域，涉及一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置。

背景技术：

世界范围内已经修建了大量大跨桥梁，未来还将修建更多、更大跨度的跨海桥梁。大跨桥梁对风荷载作用较为敏感，主跨跨径大于2000m的超大跨度桥梁一般都会面临颤振的严峻挑战。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三类。气动措施主要是通过添加导流装置或改善桥梁断面外形来改善气流绕流形态，以改善桥梁抗风性能。随着桥梁跨度的增加，仅仅通过气动措施可能难以满足颤振需求。结构措施主要通过提高结构整体刚度、增大桥面宽度、质量和质量惯矩等措施，来提高桥梁气动稳定性。但结构措施会带来材料用量的明显增加，工程造价一般相对铰高，因此不是优选措施。机械措施主要是通过设置tmd、mtmd等阻尼器增加桥梁系统的阻尼来提高颤振临界风速或降低颤振振幅，但阻尼比提高较为有限，一般难以达到2％。传统机械措施对于控制极限环软颤振效果相对较好，但对于发散性硬颤振基本没有效果，且工程造价较高，因此没有采用机械措施控制大跨桥梁颤振的案例。针对大跨桥梁传统的控制颤振措施存在的不足，提出一种适用于抑制深水(一般是跨海、跨江或部分深水湖)大跨度桥梁颤振的垂荡板主动控制装置，相对于仅有垂荡板的被动控制装置，控制效率更高，费用更低，而且控制参数可调，因此具有其相对优势和特色。

技术实现要素：

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，在主梁下方若干位置安装伺服电机驱动系统，通过绳索连接浸没于水中足够深度的垂荡板。在强风作用下，大跨桥梁可能发生大幅振动，悬挂于桥梁下方水中垂荡板向上运动受到水的阻力，可以消耗桥梁动能，抑制振动。垂荡板受到水的阻尼力与垂荡板的面积和运动速度的平方成正比，水的附加质量产生的阻力与垂荡板尺寸的立方和运动加速度成正比。垂荡板上水的阻力越大、运动行程越长，则其耗能越多。因此，对于某特定垂荡板，应采取措施尽可能增大其位移、速度和加速度。本发明提出采用伺服电机主动控制系统来实现以上目标。当主梁向上振动时，伺服电机快速旋转，驱动垂荡板在水中产生比主梁振动更大的位移、速度和加速度，作用在垂荡板的水阻力和能量消耗也会大大高于仅随主梁同步运动的垂荡板工况，因此对颤振的控制效率更高。在相同的控制效果条件下，垂荡板的尺寸可以大幅减小，进而明显降低工程造价。伺服电机驱动系统功率越大，越有利于桥梁振动的控制。

本发明的技术方案：

一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置，包括垂荡板1、吊环2、绳索3、伺服电机4、开合板5；垂荡板1可采用镀锌金属板(钢板或铝板)与加劲肋或桁架结构拼接制作，在保证垂荡板1具有足够的强度和刚度条件下，尽可能降低垂荡板1的自重，既可以降低工程费用，也可以减小非工作状态下对桥梁荷载的影响；吊环2具有足够的强度和刚度，设置于垂荡板1上的合适位置；绳索3具有足够强度和刚度，上端与固定在主梁底部的伺服电机4连接，下端连接吊环2。非工作状态下，通过伺服电机4收起绳索3将垂荡板提至并贴近固定于主梁底板下方，不影响桥梁美观及通航；根据天气预报，当可能出现造成桥梁发生颤振、大幅抖振的强风时或者根据现场情况低风速时出现明显涡振时，垂荡板1通过绳索3悬吊并浸没于水中足够深度处；垂荡板1在工作状态下，桥梁向上振动时，垂荡板1也随之向上运动，水体对垂荡板1提供附加阻尼及附加质量(即阻力)竖直向下，会抑制桥梁运动。可以控制伺服电机4根据需求驱动垂荡板1上升的位移、速度和加速度分别远高于主梁上升的位移、速度和加速度，此时垂荡板1消耗的能量远高于对应的垂荡板1仅随主梁同步上升情况，因而振动控制效率更高；桥梁下降时，尽量消除或减小绳索的拉力，从而避免垂荡板1对桥梁输入能量；因此伺服电机4反向旋转自由释放绳索3，垂荡板1在自重和水的浮力作用下向下运动。当主梁下个周期上升时，伺服电机4正向旋转，驱动垂荡板1加速上升，周而复始，将主梁振动振幅控制在可接受范围内。如果垂荡板1置于足够深度，在主梁向下运动时，伺服电机4也不一定需要反向旋转，也可以慢速正向旋转，保持绳索有较小索力，基本不会对系统输入能量，而在主梁向上运动时又能立即产生较大拉力，消耗能量。另外，垂荡板1在下降过程中受到重力、浮力和水的阻力，其下降速度可能小于主梁下降速度。为了使得垂荡板与桥梁下降进程尽可能接近同步，以实现下个周期主梁上升过程绳索3不至于长时间处于松弛状态，保证较高的控制效率，在垂荡板1若干位置设置孔洞单向开合板5；垂荡板1下沉时，开合板5在水的向上压力作用下打开孔洞，加大下降速度；垂荡板1上升时，开合板5在自重和水的向下压力作用下会封闭孔洞，不会影响垂荡板1上升时的阻力大小。

该垂荡板主动控制装置一般应用于千米级甚至更大跨度桥梁，因此桥梁颤振频率一般都较低，竖弯频率低于0.2hz，扭转频率低于0.5hz，甚至更低。尺寸和重量设计合理的垂荡板在桥梁向下振动半个周期内的下降位移可以与桥梁振动位移较为接近。最理想情况是，主梁和垂荡板同时达到最低点，主梁开始向上加速运动，而垂荡板达到最大的下降速度，此时控制效果最佳。

垂荡板控制装置通过调整垂荡板1的形状、尺寸、浸水深度等调整附加质量和附加阻尼大小。

垂荡板控制装置通过主动控制系统实时识别桥梁运动方向，实时控制伺服电机4的旋转方向和转速，调节垂荡板1的运动位移、速度和加速度，可明显改善垂荡板阻尼器的抑制效果。

所述的垂荡板1的总体(包括加劲肋)厚度一般不超过10cm，有良好的耐腐蚀性；

所述的垂荡板1可以采用平板设置纵横加劲肋或桁架的方式，也可以采用波纹钢板等特质金属板，保证足够的刚度下，可以大幅降低材料费用。

所述的垂荡板1的形状不限，可以采用正方形、正六边形或圆形等。垂荡板1可以采用平面或凹面金属板。

所述的垂荡板1的尺寸、数量及沿桥跨的布置方式根据工程实际需要设定，一般设置在桥梁结构可能发生较大位移的位置(如桥梁主跨跨中和两个1/4断面位置等)，在该断面处沿横向对称安装两个相同的抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置，以实现控制扭转的目标。

所述的吊环2为垂荡板1提供悬挂吊点，其数量和位置根据需要确定。

所述的绳索3应具有足够的强度和刚度，保证在工作状态下形变量尽量小；绳索3应有足够的长度，保证在工作状态时垂荡板1能够浸没于水体足够深度。

所述的伺服电机4具有足够的功率、转速、强度和输出精度，必要时可以采用多台伺服电机组合增大功率。

所述的开合板5为外端固定向内开合的双扇结构形式，可以采用2-3mm厚铝板，尺寸50cm-100cm，质量轻，防锈，耐久性好，费用低。单扇最大张开角度小于90°，垂荡板1上升时，开合板5关闭，垂荡板1下降时，开合板5打开，最终实现更好的控制效果。开合板5的数量和分布形式不限。

本发明的有益效果：(1)本发明提供的抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置经济实用，相对无控系统，主动控制系统可以大幅提高垂荡板的运动位移、速度和加速度，消耗更多能量，改善桥梁颤振的抑制效果；(2)在保证相近抑制效果条件下，带有主动控制系统的装置可以大幅减小垂荡板的尺寸，大大降低工程费用；(3)本发明提供的装置简单、操作方便、伺服电机输出参数(功率、转速、加速度等)可调、费用低、抑制颤振效果好。

附图说明

图1是一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置的构造图。

图2是一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置中开合板的构造图。

图中：1垂荡板；2吊环；3绳索；4伺服电机；5开合板。

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所示，一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置，包括垂荡板1、吊环2、绳索3、伺服电机4、开合板5；垂荡板1可采用镀锌金属板(钢板或铝板等)与加劲肋或桁架结构拼接制作；吊环2具有足够的强度和刚度，设置于垂荡板1上的合适位置；绳索3具有足够强度和刚度，上方与固定于桥梁主梁下方的伺服电机4连接，下端连接吊环2；分布于垂荡板1上的若干单向开合板5主要用来减小垂荡板1下降时的阻力，加快其下沉速度。非工作状态下，通过伺服电机4收起绳索3将垂荡板1提至并贴近固定于主梁底板；工作状态时，垂荡板1通过绳索3悬吊并浸没于水中足够深度处；桥梁在上升过程中，伺服电机4主动控制系统驱动垂荡板1加速上升，开合板5关闭，由此可以增大垂荡板的阻力和位移，从而消耗桥梁更多的动能，振动控制效率更高；桥梁在下降过程中，伺服电机4反向旋转自由释放绳索3，垂荡板1在自重和水的浮力作用下向下运动，开合板5打开，下沉速度加快。当主梁下个周期上升时，伺服电机4正向旋转，驱动垂荡板1加速上升，周而复始，将主梁振动振幅控制在可接受范围内。

本发明提供的一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板主动控制装置，可以实现主动控制，根据需求大幅提升振动控制效率，便于安装调试，在主梁左右两侧对称布置可以同时满足桥梁竖向及扭转颤振控制需要，方便快捷、实用可靠、经济高效。

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。