一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的水体阻尼装置及方法

1.本发明涉及建筑结构减振控制技术领域，具体涉及一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的水体阻尼装置及方法。


背景技术：

2.大跨度桥梁由于其跨度大、结构柔阻尼低等特点，对风的作用也更为敏感。当风流经主梁断面后，会在主梁的下游一侧发生漩涡脱落，并对桥梁产生上下交替作用力。随着风速增加，漩涡脱落的频率也增加，当脱落频率接近主梁的自振频率时，将引起主梁结构的涡激共振现象。尽管涡激振动是限幅的振动，不会像颤振和驰振发生发散性的振动，但是由于涡激振动易发生在低风速下，发生频率高。长期以往，会对结构造成疲劳破坏且会影响行车安全性和舒适性。因此，涡激振动的控制显得尤为重要。另一方面，随着桥梁跨度的不断增长，为满足现行设计规范中线性颤振设防的要求，一些简单低成本的气动控制措施越来越显的力不从心，设计和建设成本正在急剧增加。随着全球气候剧烈变化，大跨度桥梁尤其是沿海台风区的大跨度桥梁将面临更严峻的风致振动问题。在传统线性颤振理论框架下，桥梁颤振被认为是急剧破坏性的失稳行为，因此阻尼器难以控制颤振的发生，对颤振临界风速的提高也收效甚微。然而近些年来大量的学者通过风洞试验、数值模拟研究发现目前很多桥梁断面都表现出极限环振动行为，被称为“软颤振”，是一种复杂的非线性响应问题。鉴于此，阻尼器具备提高这类软颤振起振风速和控制软颤振振幅的能力。因此亟需开发控制软颤振响应的阻尼器装置
3.目前，涡振的主要控制措施有气动措施和机械措施。机械控制措施是通过采用一些装置增加结构的阻尼或适当附加一定质量的重物来降低桥梁的风致响应。常用的机械控制方法有调谐质量阻尼器(tmd)和电涡流阻尼器等，但只能应用到箱梁里面且要求箱梁足够高以满足阻尼器的行程，适用桥型少且存在无法适应多阶涡振问题。另外，其维修养护费用高安装困难，只能很好的控制竖向涡振，难以控制扭转涡振。与机械措施相比，气动控制是从改善绕流场角度提高桥梁抗风性能，更具直接、简单、经济等优势，包括主动和被动两种措施。被动措施是在不改变桥梁结构与使用功能的前提下，适当改变桥梁的外形布置或附加一些装置(如导流板、抑流板、隔涡网等)，从而得到具有良好抗风能力的桥梁断面绕流特征，但由于桥梁断面绕流复杂性，被动气动措施不具备涡振控制的普适性，且不能根据主梁运动姿态以及流动环境的改变而实时调整，控制效果不能达到最佳状态。另外，试验在风洞试验中进行缩尺模型试验存在尺寸效应，因此真实环境的控制效果有待观察验证。在桥梁颤振控制方面，鉴于目前设计规范基于线性颤振设防理论，颤振只能通过气动措施或者结构措施提高颤振临界风速而杜绝颤振的发生。然而目前大量实验发现很多断面表现出软颤振这样的非线性响应行为且颤振本身具备两自由度参与的特征，因此可开发具备同时控制竖向和扭转两个方向振动的相应阻尼器。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服上述背景技术中的缺陷，从而提供一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的水体阻尼装置及方法。
5.本发明提供了一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的水体阻尼装置，包括水体阻尼装置，所述水体阻尼装置通过钢索连接在主梁下方并浸入水中；所述水体阻尼装置包括钢框架和水阻杯，所述水阻杯的一端设置有阻挡圈和水阻杯盖，水阻杯盖设置在水阻杯与阻挡圈之间，并与水阻杯活动连接，阻挡圈用于阻挡水阻杯盖向水阻杯外掀开；多个所述水阻杯按照水阻杯盖朝下的方向设置在钢框架上。
6.通过将水体阻尼装置连接在主梁下方并浸入水中，利用桥下的水资源与装置间的作用力进而对主梁的运动产生阻碍。当主梁发生扭转振动时，主梁被抬高的一端的水体阻尼装置发挥阻碍主梁扭转的作用，从而实现对扭转涡振及软颤振的控制作用。本发明主要用于控制涡振和颤振，但不限于此，还可以控制其他形式的较大振幅的振动比如风致抖振。
7.优选地，所述水体阻尼装置分别设置在主梁长度的1/2、1/4、1/8处。
8.通过在主梁长度1/2、1/4、1/8处设置水体阻尼装置，可以达到对一阶涡振、二阶涡振以及三阶涡振等控制的效果。
9.优选地，还包括锚固孔，所述锚固孔开设于主梁底部；所述水体阻尼装置通过钢索与锚固孔连接。
10.通过在主梁底部设置锚固孔，当桥梁出现涡振时将水体阻尼装置放入水中，并通过钢索连接，发挥抑制桥梁涡振的效果；当桥梁的涡振消失、桥面风环境稳定后，通过主梁的锚固孔拆除钢索，将水体阻尼装置卸下收起，不影响水下通航以及桥梁的美观性。
11.优选地，还包括位移行程放大器，所述位移行程放大器设置于靠近主梁两端的桥塔塔身并连接水体阻尼装置。
12.在靠近桥塔边跨的主梁，由于主梁的振动位移比较小，水体阻尼装置的位移行程太小，无法达到较好的控制效果。因此，通过在桥塔塔身安装位移行程放大器放大水体阻尼装置的行程，达到抑制主梁振动的效果。
13.优选地，所述位移行程放大器包括加固刚臂、实心钢轴、小半径滚筒和大半径轮毂；加固刚臂的一端与桥塔塔身连接，另一端与小半径滚筒连接；实心钢轴通过滚珠内嵌于小半径滚筒内，大半径轮毂与小半径滚筒同轴固定。
14.优选地，所述小半径滚筒外侧设有凹槽，钢索的一端缠绕于小半径滚筒外侧的凹槽内，另一端与主梁连接；所述大半径轮毂外侧设有凹槽，钢索的一端缠绕于大半径轮毂外侧的凹槽内，另一端与水体阻尼装置连接。
15.在相同角位移下，通过大半径轮毂与小半径滚筒的半径倍数关系放大了主梁的振动位移，发挥水体阻尼装置抑制振动的效果，进而抑制桥梁的涡振和软颤振。
16.优选地，桥梁两侧均设置有所述水体阻尼装置。
17.优选地，所述水阻杯盖采用轻质材料，所述钢框架和所述水阻杯采用大密度材料。
18.本发明还提供了一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的方法，所述方法利用上述水体阻尼装置为工具进行，包括如下步骤：
19.s1：桥梁出现涡振及颤振时，将水体阻尼装置通过钢索连接在主梁下方，并放入水中；
20.s2：水体阻尼装置抑制桥梁涡振及颤振；
21.s3：桥梁涡振及颤振消失后，将水体阻尼装置卸下收起。
22.优选地，步骤s2具体包括如下步骤：
23.s21：主梁往上运动时，水体阻尼装置在拉力作用下向上运动，水流使得水阻杯盖封闭水阻杯的底部，增大主梁向上运动的阻力和阻尼，耗散主梁向上运动的部分动能；
24.s22：主梁向下运动时，水体阻尼装置在重力作用下向下运动，水流使得水阻杯盖朝水阻杯内部打开，水流流过水阻杯，钢框架向下运动的阻力减小并在重力作用下迅速下落，储备下一次主梁向上运动时水体阻尼装置的行程，使得水体阻尼装置在下一次向上运动时又具备足够的行程耗散主梁振动的能量。
25.本发明提供的一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的水体阻尼装置及方法，通过利用桥下的水资源与装置间的作用力进而对主梁的运动产生阻碍，达到抑制桥梁涡振或软颤振的效果。通过在不同桥梁跨长处安装水体阻尼装置可达到控制多阶涡振的控制效果。在桥梁发生涡振或较大的抖振或者软颤振时，安装本发明都可起到抑制振动进而保护桥梁结构的效果；在日常的桥梁运营中收起水下装置，不影响水下通航以及桥梁的美观性。本发明主要用于控制涡振和颤振，但不限于此，还可以控制其他形式的较大振幅的振动比如风致抖振。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
27.图1为本发明提供的一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的水体阻尼装置与桥梁连接的主视图；
28.图2为本发明提供的一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的水体阻尼装置与桥梁连接的侧视图；
29.图3为本发明提供的水体阻尼装置的结构示意图；
30.图4为本发明提供的位移行程放大器的结构示意图。
31.附图标记：1、水体阻尼装置；11、钢框架；12、水阻杯；13、阻挡圈；14、水阻杯盖；2、钢索；3、主梁；4、位移行程放大器；41、加固刚臂；42、实心钢轴；43、小半径滚筒；44、大半径轮毂；5、桥塔。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
36.实施例1
37.本实施例提供一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的水体阻尼装置，如图1至图4所示，包括水体阻尼装置1，所述水体阻尼装置1通过钢索2与主梁3底部开设的锚固孔连接并浸入水中，桥梁两侧均设置有所述水体阻尼装置1，并分别设置在主梁3长度的1/2、1/4、1/8处。所述水体阻尼装置1包括钢框架11和水阻杯12，所述水阻杯12的一端设置有阻挡圈13和水阻杯盖14，水阻杯盖14设置在水阻杯12与阻挡圈13之间，并与水阻杯12活动连接，阻挡圈13用于阻挡水阻杯盖14向水阻杯12外掀开；水阻杯盖14采用轻质材料，如铝合金，钢框架11和水阻杯12采用大密度材料，如不锈钢材。多个所述水阻杯12按照水阻杯盖14朝下的方向设置在钢框架11上。靠近主梁3两端的水体阻尼装置1连接有位移行程放大器4，所述位移行程放大器4设置于桥塔5的塔身上。
38.所述位移行程放大器4包括加固刚臂41、实心钢轴42、小半径滚筒43和大半径轮毂44；加固刚臂41的一端与桥塔5塔身连接，另一端与小半径滚筒43连接；实心钢轴42通过滚珠内嵌于小半径滚筒43内，大半径轮毂44与小半径滚筒43同轴固定。所述小半径滚筒43外侧设有凹槽，钢索2的一端缠绕于小半径滚筒43外侧的凹槽内，另一端与主梁3连接；所述大半径轮毂44外侧设有凹槽，钢索2的一端缠绕于大半径轮毂44外侧的凹槽内，另一端与水体阻尼装置1连接。
39.在本实施例中，通过设置阻挡圈13，水阻杯盖14可向水阻杯12内打开，而不能向水阻杯12外掀开。当主梁3往上运动时，水体阻尼装置1在拉力作用下向上运动，由于水流的作用使得水阻杯盖14封闭了水阻杯12的底部，进而增大了主梁3向上运动的阻力和阻尼，耗散主梁3向上运动的部分动能。当主梁3向下运动时，水体阻尼装置1在重力作用下向下运动，此时在水流的作用下水阻杯盖14朝着内部打开，水流流过水阻杯12，钢框架11向下运动的阻力减小并在重力作用下迅速下落，进而储备了下一次主梁3向上运动时水体阻尼装置1的行程，使得水体阻尼装置1在下一次向上运动的时候又具备足够的行程耗散主梁3振动的能量。
40.通过在主梁3的两侧安装水体阻尼装置1，当主梁3发生扭转振动时，主梁3被抬高的一端的水体阻尼装置1发挥阻碍主梁3扭转的作用，从而实现对扭转涡振及软颤振的控制作用。通过在主梁3长度1/2、1/4、1/8处设置水体阻尼装置1，可以达到对一阶涡振、二阶涡振以及三阶涡振等控制的效果。通过在主梁3底部设置锚固孔，当桥梁出现涡振时将水体阻尼装置1放入水中，并通过钢索2连接，发挥抑制桥梁涡振的效果；当桥梁的涡振消失、桥面风环境稳定后，通过主梁3的锚固孔拆除钢索2，将水体阻尼装置1卸下收起，不影响水下通
航以及桥梁的美观性。
41.在靠近桥塔5边跨的主梁3，由于主梁3的振动位移比较小，水体阻尼装置1的位移行程太小，无法达到较好的控制效果。因此，通过在桥塔5塔身安装位移行程放大器4放大水体阻尼装置1的行程，达到抑制主梁3振动的效果。位移行程放大器4通过加固刚臂41与桥塔5塔身连接，实心钢轴42通过滚珠内嵌于小半径滚筒43内，实现小半径滚筒43与实心钢轴42同轴转动。小半径滚筒43外部设有凹槽，钢索2一端与其缠绕连接，另一端与主梁3连接，将主梁3的竖向位移转化为小半径滚筒43的圆周位移。将大半径轮毂44固接在小半径滚筒43上，将钢索2的一端缠绕于大半径轮毂44外侧的凹槽内，钢索2的另一端与水体阻尼装置1连接。在相同角位移下，通过大半径轮毂44与小半径滚筒43的半径倍数关系放大了主梁3的振动位移，发挥水体阻尼装置1抑制振动的效果，进而抑制桥梁的涡振和软颤振。需要说明的是，本发明主要用于控制涡振和颤振，但不限于此，还可以控制其他形式的较大振幅的振动比如风致抖振。
42.实施例2
43.本实施例提供一种控制跨海跨江桥梁涡振及颤振的方法，所述方法利用上述水体阻尼装置1为工具进行，包括如下步骤：
44.s1：桥梁出现涡振及颤振时，将水体阻尼装置1通过钢索2连接在主梁3下方，并放入水中；
45.s2：水体阻尼装置1抑制桥梁涡振及颤振；
46.s3：桥梁涡振及颤振消失后，将水体阻尼装置1卸下收起。
47.步骤s2具体包括如下步骤：
48.s21：主梁3往上运动时，水体阻尼装置1在拉力作用下向上运动，水流使得水阻杯盖14封闭水阻杯12的底部，增大主梁3向上运动的阻力和阻尼，耗散主梁3向上运动的部分动能；
49.s22：主梁3向下运动时，水体阻尼装置1在重力作用下向下运动，水流使得水阻杯盖14朝水阻杯12内部打开，水流流过水阻杯12，钢框架11向下运动的阻力减小并在重力作用下迅速下落，储备下一次主梁3向上运动时水体阻尼装置1的行程，使得水体阻尼装置1在下一次向上运动时又具备足够的行程耗散主梁振动的能量。
50.在本实施例中，通过利用水的阻尼作用，只要主梁3有向上的运动就有耗能的过程，因此控制鲁棒性好，且能通过多分跨位置的安装有效控制多阶的涡振。本发明直接安装在主梁3外面，不用时可拆离，不增加主梁3重量，不影响主梁3美观，需要时安装方便。且保养费用低，并适用于各种主梁3断面的控制。本发明只要主梁3有向上的运动便能耗散主梁3的振动能量，因此能够控制主梁3任意阶数、任意频率的振动，能够很好的控制主梁3扭转方向的振动。本发明充分利用水资源环境阻尼耗能效应，结构简单，经济，且可针对性在主梁3振动最明显的位置安拆，方便灵活，具备广泛推广应用的价值，且能控制由任意荷载引起的主梁3竖向和扭转方向的大幅振动，尤其对复杂极端风环境下的振动行为也有很好的控制效果。
51.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或
变动仍处于本发明创造的保护范围之中。