一种抑制海上大跨桥梁颤振的垂荡板-弹簧联合控制装置

本发明属于桥梁风致振动控制技术领域，涉及一种高效抑制海上大跨桥梁颤振的垂荡板-弹簧联合控制装置。

背景技术：

世界范围内已经在海上修建了大量大跨桥梁，而海上风速高，持时长，对桥梁抗风安全性带来更大的挑战，风荷载往往是控制设计荷载。颤振是桥梁结构破坏最为严重的一种风致振动现象，大幅极限环和发散性颤振在大跨桥梁抗风设计中必须严格杜绝。颤振控制措施主要包括气动措施、结构措施及机械措施。针对大跨桥梁颤振传统的控制措施存在的一些不足，发明人已经提出了一种适用于抑制大跨度跨海(跨江或部分深水湖)桥梁颤振的垂荡板控制装置，即在桥梁下方悬挂浸没于水中的垂荡板，借助垂荡板巨大的水阻力，达到抑制桥梁大幅颤振的目的。为了降低垂荡板的工程造价、减小对桥梁荷载的影响，垂荡板质量一般较小。然而，该装置仍然存在以下不足：一方面，在垂荡板上升时垂荡板自重耗能较少；另一方面，垂荡板下降时速度较慢，滞后于主梁下降，减小了下一周期主梁上升时垂荡板的阻力做功区间，控制效率不高。针对以上不足，本发明提出在垂荡板底部连接多种规格一端固定在海底的受拉弹簧，形成一种垂荡板-弹簧联合控制措施。其优势是，一方面增加垂荡板上升时的阻力，另一方面增大了桥梁向下运动时垂荡板的下降速度，使得垂荡板与桥梁两者的运动尽量接近同步，可以明显改善垂荡板控制装置的抑振效果，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，提出一种悬挂在桥梁下方浸没于水中的垂荡板-弹簧联合控制装置，通过垂荡板上升过程垂荡板重力、水阻力及弹簧拉力对振动系统做负功，消耗桥梁机械能抑制桥梁大幅振动。当主梁向上运动时，会带动垂荡板向上运动，水体对垂荡板提供向下非常大的附加阻尼及附加质量力，垂荡板下部弹簧提供向下拉力，消耗主梁振动能量；当主梁向下运动时，垂荡板在多级弹簧的拉力下快速向下运动，与主梁向下运动速度尽可能接近同步，随后进行下一周期的运动，如此反复，最终高效抑制颤振发生或大幅提高颤振临界风速及抗风安全性。之所以采用多级弹簧，而不是单个或单级弹簧原因如下：当振幅较小时，垂荡板下降时可能无需或者只需要较小的弹簧拉力即可基本与主梁下降接近同步，此时仅需要较小拉力和刚度的弹簧发挥作用；而当振幅较大时，需要更大的弹簧拉力才能消耗更多的能量，并且使得垂荡板下降速度更快。因此可以设置若干级弹簧，当振幅分别达到指定数值时，对应的弹簧才开始工作，否则弹簧处于松弛非受力工作状态。

本发明的技术方案：

一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板-弹簧联合控制装置，包括垂荡板1、第一绳索2、并联弹簧组3、第二绳索4、重力块5；所述的垂荡板1一般可采用镀锌金属薄板(钢板或铝板等)与加劲肋或桁架体系拼接而成，保证垂荡板1在具有足够的强度和刚度条件下，尽可能降低垂荡板1的自重及工程费用；具有足够强度和刚度的第一绳索2上端与主梁底部连接，下端连接垂荡板1；并联弹簧组3上端通过第二绳索4连接于垂荡板1底部，或与第一绳索2下端相连，下方连接于水底重力块5上。当非工作状态下，可通过卷扬机或其他设备收起绳索2将垂荡板1贴近并固定在主梁底板，不影响桥梁外形及美观性。此时可以将并联弹簧组3和第二绳索4一起临时(其重量很轻，对主梁的荷载影响可以忽略)固定在垂荡板1下面，也可以在需要时再安装。重力块5可以采用钢筋混凝土块，其体积根据垂荡板尺寸、弹簧吊点数量及拉力等参数确定，一般20-50m³即可满足要求。既可以永久放在指定位置，也可以根据需要利用船舶运输临时安放。根据天气预报，在强风来袭或者现场观测到明显的涡激振动时，将垂荡板1下放浸没于水中足够深度处；工作状态下，桥梁向上运动时，水体对垂荡板1提供的附加质量与附加阻尼(即阻力)以及并联弹簧组3变形的弹性力会抑制桥梁向上运动；桥梁向下运动时，垂荡板1在自重、水的浮力及弹簧拉力作用下向下运动，从而可以避免下一周期主梁上升时第一绳索2长时间松弛，保证有较好的控制效果。

联合控制装置系统可通过调整垂荡板1的形状、尺寸及浸水深度、并联弹簧组3各级弹簧的数量、刚度、长度及拉力等调整联合控制装置的受力及运动。

所述的垂荡板1可以采用平面或凹面的正方形、正六边形或圆形金属板设置纵横加劲肋或桁架体系的结构形式，或者采用波纹钢板，相对等厚度平板，刚度会明显增大，可以大幅降低工程造价。

所述的垂荡板1的尺寸、数量及沿桥跨的布置方式根据实际抑振需求设定，为使控制效果最佳，一般设置在桥梁结构主跨跨中断面和两个1/4断面等可能发生较大位移的位置，在该位置沿横向对称布置两个相同的垂荡板-弹簧联合控制装置，以同时满足控制桥梁竖弯和扭转振动。

所述的第一绳索2应具有足够的强度和刚度，在工作状态下有较小的伸长量；上方可通过卷扬机等设备与桥梁结构连接，在非工作状态时可以将联合控制装置收到桥梁主梁底部，不影响桥梁通航及美观性；第一绳索2具有足够的长度，保证在工作状态时垂荡板1能够浸没于水体足够深度。

所述的并联弹簧组3由多组不同刚度、长度和初始拉力的弹簧组成，当垂荡板1向上运动位移较小(主梁发生小振幅振动)时，仅有刚度较小的短弹簧处于拉紧工作状态，当垂荡板向上运动位移较大(主梁发生大振幅振动)时，更多组的弹簧分级发挥作用，共同抑制桥梁振动。当桥梁主梁开始向下运动时，并联弹簧组3加大垂荡板1的下降速度，下降一定距离后，只有小刚度的短弹簧存在弹性力，而大刚度的长弹簧不再提供拉力，有效避免垂荡板1的下降速度大于桥梁主梁的下降速度，而恶化抑振效果。

所述的并联弹簧组3各级弹簧的数量、刚度及长度根据桥梁的振动特性确定。

所述的第二绳索4具有足够的强度和刚度。

所述的重力块5具有足够的重量，保证控制系统工作过程中，不会被拉起或者滑移，可采用钢筋混凝土块，简便、经济、实用。

本发明的有益效果：(1)本发明提供的一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板-弹簧联合控制装置，相比于没有并联弹簧组的垂荡板控制装置，本发明控制效率更高；(2)在保证相同抑振效果的情况下，本发明提供的带有并联弹簧组的垂荡板控制装置可大幅减小垂荡板的尺寸，工程费用更低。(3)本发明装置简单、操作方便、颤振控制效果好。

附图说明

图1是一种抑制海上大跨桥梁颤振的垂荡板-弹簧联合控制装置的构造图。

图中：1垂荡板；2第一绳索；3并联弹簧组；4第二绳索；5重力块。

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，一种抑制海上大跨桥梁颤振的垂荡板-弹簧联合控制装置，包括垂荡板1、第一绳索2、并联弹簧组3、第二绳索4、重力块5；所述的垂荡板1具有足够的强度及刚度，一般可采用加劲肋或者桁架体系与镀锌金属薄板(钢板、铝板等)拼接制作，保证垂荡板1在具有足够的强度和刚度条件下，尽可能降低垂荡板1的自重及工程费用；具有足够强度、刚度及长度的第一绳索2下端连接垂荡板1，上端通过卷扬机等设备连接于主梁底部；并联弹簧组3通过第二绳索4上端与垂荡板1底部连接，下端连接于水底的重力块5；并联弹簧组3的主要功能是增加垂荡板1上升过程的阻力、提高耗能，加速垂荡板1下降速度，使其尽可能与主梁下降接近同步，保证下一周期控制效率；非工作状态下，垂荡板1贴近固定在主梁底板，在具有威胁性的强风来临之前，通过卷扬机等设备带动第一绳索2将垂荡板1下放浸没于水中足够深度处；水中的垂荡板1会在桥梁带动下产生附加质量和附加阻尼。相对没有弹簧装置，本发明可以充分发挥弹簧耗能和加快垂荡板下降双重功效，因此可以更为高效抑制桥梁颤振或大幅减小垂荡板尺寸和工程造价。可以在主跨跨中断面和两个1/4断面发生较大位移处左右两侧分别设置垂荡板-弹簧联合控制装置，同时控制风致竖弯及扭转振动。

本发明提供的一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡板-弹簧联合控制装置，可以同时满足桥梁竖向及扭转的颤振控制需要，经济、实用、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。