一种并列连续钢箱梁桥竖向涡振的控制系统及钢箱梁桥

1.本发明属于桥梁振动控制技术领域，具体涉及一种并列连续钢箱梁桥竖向涡振的控制系统及钢箱梁桥。


背景技术：

2.连续钢箱梁桥具有自重轻、截面抗弯和抗扭刚度大、施工周期短、抗震性能好等特点，是大跨度连续梁桥的有力竞争桥型之一，近年来在我国发展迅速。例如，我国的崇启大桥、港珠澳大桥深水区非通航孔桥、黄茅海跨海通道引桥、深中通道泄洪区非通航孔桥等均采用连续钢箱梁的结构形式。然而，大跨度连续钢箱梁桥自振频率低、固有阻尼小、且多为典型的钝体断面，因此极易发生中、低风速下的竖弯涡振，并对桥面行车安全和大桥的正常运营造成不利影响。另一方面，由于我国城市交通量的不断增大和城市规模的不断发展，城市桥位资源越来越稀缺，并列两幅及两幅以上的多幅桥梁建设呈逐渐增多的趋势，然而与单幅桥相比，并列双幅或多幅连续钢箱梁桥由于相邻主梁之间的气动干扰效应更容易发生大幅竖向涡振。
3.为了控制连续钢箱梁桥的竖向涡振，目前主要采用气动措施和安装调谐质量阻尼器(tmd)。气动措施是指在主梁上安装导流板、扰流板、抑流板等附属构件，或改变人行道栏杆、检修车轨道等附属构件的外形和尺寸。与单幅桥梁相比，采用气动措施控制双幅或多幅桥梁的竖向涡振有诸多困难：第一，选择合理气动措施的难度大。连续钢箱梁桥一般采用典型的钝体断面，一般的气动措施难以有效抑制其表面的周期性漩涡脱离，加之相邻桥之间的气动干扰效应，寻找有效气动措施的困难更大。第二，气动措施的成本较高，由于每幅桥都需要采用气动措施，所以并列桥梁的数量越多，气动措施的成本就越高。
4.现有技术中，中国发明专利公告号cn108677686b公开了一种用于分离式钢箱梁桥梁涡激共振的控制气动结构，以下简称专利文件1。中国发明专利公告号cn113174836a公开了一种提升双幅桥涡振性能的槽间裙板及双幅桥，以下简称专利文件2。专利文件1和专利文件2均属于大跨度桥梁涡振控制的气动措施，气动措施是通过改变主梁周围梁绕流的周期性漩涡脱离来抑制桥梁涡振。但实际上桥梁的涡振性能对主梁的气动外形非常敏感，气动外形的微小变化就可能使主梁涡振性能发生剧烈改变，所以现有的被动气动措施缺乏普适性。专利文件1和专利文件2提供的气动措施并不能适用于所有外形的钢箱梁断面，即使专利文件1和专利文件2的气动措施能够用于某些钢箱梁断面，裙板的尺寸也因主梁断面外形的不同而不同，必须通过大量风洞试验才能确定具体实施方案。特别是对连续钢箱梁桥，其主梁高度在桥墩上可达9m，具有工程可行性的小尺寸裙板可能并不适用。
5.目前大多数连续钢箱梁桥都采用tmd进行涡振控制，例如我国的崇启大桥、港珠澳大桥深水区非通航孔桥、日本的东京湾航道桥、巴西的里约罗尼泰大桥等。但采用tmd进行连续钢箱梁桥的竖向涡振控制也存在很多不足之处。第一，tmd容易产生频率失调，进而造成实际控制效果降低。tmd的设计频率一般是参考大桥动力特性的有限元计算结果，但实桥频率与有限元计算结果往往偏差较大，从而很容易造成tmd频率失调。tmd的控制效果对频
率调谐的精度极为敏感，5％的频率偏差就会让其控制效果大大降低。第二，安装和维护难度大，全寿命成本较高。大跨度连续钢箱梁桥存在多个竖弯模态发生涡振的可能，此时，每个竖弯模态都需要采用tmd进行单独控制，对于双幅桥和多幅桥，所需tmd数量更多，从而使加工、安装和维护的全寿命成本较高。
6.研究表明，当并列双幅连续钢箱梁桥发生竖向涡振时，位于来流上游和下游的桥均会发生涡振。一般下游桥的涡振振幅大于上游桥，且两幅桥的涡振位移存在相位差，因此如果在上游桥和下游桥之间安装竖向出力的阻尼器，阻尼器两端就会因两幅桥的涡振位移差而产生阻尼力，进而对涡振产生控制效果。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有连续钢箱梁桥竖向涡振的控制措施存在适用范围小、布置实施复杂和全寿命成本高的不足，提供一种并列连续钢箱梁桥竖向涡振的控制系统及钢箱梁桥，本发明的控制系统具有适用范围广、结构简单、布置实施方便、后期养护和维修方便等优点，可降低其全寿命成本。
8.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种并列连续钢箱梁桥竖向涡振的控制系统，其包括第一钢箱梁和第二钢箱梁，所述第一钢箱梁和第二钢箱梁均沿顺桥向延伸，所述第一钢箱梁和第二钢箱梁沿横桥向并列间隔设置，第一钢箱梁和第二钢箱梁之间具有安装空间，其特征在于，
9.还包括第一支撑结构、第二支撑结构和阻尼器；
10.所述第一钢箱梁的右翼缘横隔板底端固定连接有所述的第一支撑结构，所述第一支撑结构的右侧设有第一支撑连接端，所述第一支撑连接端位于所述第一钢箱梁的右侧；
11.所述第二钢箱梁的左翼缘横隔板外侧端上固定连接有所述的第二支撑结构，所述第二支撑结构的左侧设有第二支撑连接端；所述第一支撑连接端和所述第二支撑连接端之间竖向设有所述的阻尼器，所述阻尼器的底端与所述第一支撑连接端铰接，其顶端与所述第二支撑连接端铰接。
12.现有技术表明桥梁的涡振振幅总是随着桥梁涡振模态阻尼比的增大而逐渐减小，上述一种并列连续钢箱梁桥竖向涡振的控制系统，其通过在相邻两个并列连续钢箱梁桥之间设置竖向出力的阻尼器以增加相邻两个并列连续钢箱梁的竖弯模态阻尼比，从而有效控制并列连续钢箱梁桥的竖向涡振，而且上述控制系统的设置不受钢箱梁气动外形的影响，因此上述控制系统具有普适性，适用范围广。同时，该控制系统具有结构简单、布置实施方便、后期养护和维修方便的优点，可降低其全寿命成本。
13.进一步的，所述阻尼器设于所述第一钢箱梁/所述第二钢箱梁的桥梁涡振模态振型最大位移处一侧的安装空间内。
14.进一步的，所述第一支撑连接端与所述第一钢箱梁右侧端面的距离以及所述第二支撑连接端与所述第二钢箱梁左侧端面的距离等于所述第一钢箱梁和第二钢箱梁之间净间距的一半。
15.进一步的，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构均为钢桁架结构。
16.进一步的，所述阻尼器可为单个阻尼器或多个阻尼器。
17.进一步的，所述阻尼器为直接耗能型阻尼器。更进一步的，所述阻尼器为粘滞阻尼
器或电涡流阻尼器。
18.基于同一个发明构思，本发明还提供一种并列连续钢箱梁桥，其包括至少两个连续钢箱梁，所述钢箱梁均沿顺桥向延伸，各所述钢箱梁桥均沿横桥向并列间隔设置，相邻两个钢箱梁之间均具有安装空间，其特征在于，任意两个所述钢箱梁之间均设有若干个所述的控制系统。
19.进一步的，所述并列连续钢箱梁桥为双幅桥或多幅桥。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
21.一、本发明的控制系统通过在相邻两个并列连续钢箱梁之间设置竖向出力的阻尼器以增加相邻两个并列连续钢箱梁桥的竖弯模态阻尼比，从而有效控制并列连续钢箱梁桥的竖向涡振，该控制系统的设置不受钢箱梁气动外形的影响，因此该控制系统具有普适性，适用范围广。
22.二、本发明的控制系统只需要在并列相邻两个钢箱梁涡振模态最大位移处一侧的安装空间内进行设置即可；同时该控制系统具有结构简单、布置实施方便、后期养护和维修方便的优点，可降低其全寿命成本。
23.三、本发明的控制系统不仅能够控制连续钢箱梁桥的竖向涡振，同时也可以对桥梁驰振、车致振动等其他形式的竖向振动也有一定的控制效果。
附图说明
24.图1为本发明一种实施例中控制系统的横截面结构示意图；
25.图2为本发明一种实施例的控制系统在一座三跨连续钢箱梁桥的立面布置示意图；
26.图3为一座双幅三跨连续钢箱梁桥第一阶反对称竖弯模态的附加阻尼比随阻尼器阻尼系数的变化曲线图。
27.图中：1、第一钢箱梁；2、第二钢箱梁；3、右翼缘横隔板；4、左翼缘横隔板；5、第一支撑结构；51、第一支撑连接端；6、第二支撑结构；61、第二支撑连接端；7、阻尼器；8、安装空间；l、竖弯振型曲线；y、竖弯振型曲线最大位移处；b、第一钢箱梁与第二钢箱梁之间的净间距。
具体实施方式
28.以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
29.如图1所示，本实施例提供了一种并列连续钢箱梁桥竖向涡振的控制系统，其包括第一钢箱梁1、第二钢箱梁2、第一支撑结构5、第二支撑结构6和阻尼器7。
30.所述第一钢箱梁1和所述第二钢箱梁2均沿顺桥向延伸，所述第一钢箱梁1和第二钢箱梁2沿横桥向并列间隔设置，第一钢箱梁1和第二钢箱梁2之间具有安装空间8。
31.所述第一钢箱梁1的右翼缘横隔板3底端固定连接有所述的第一支撑结构5，所述第一支撑结构5为钢桁架结构。
32.所述第一支撑结构5的右侧设有第一支撑连接端51，所述第一支撑连接端51位于所述第一钢箱梁1的右侧。
33.所述第二钢箱梁2的左翼缘横隔板4外侧端上固定连接有所述的第二支撑结构6，所述第二支撑结构6为钢桁架结构，所述第二支撑结构6的左侧设有第二支撑连接端61。所述第一支撑连接端51与所述第一钢箱梁1右侧端面的距离以及所述第二支撑连接端61与所述第二钢箱梁2左侧端面的距离等于所述第一钢箱梁与第二钢箱梁之间净间距b的一半。
34.所述第一支撑连接端51和所述第二支撑连接端61之间竖向设有所述的阻尼器7，所述阻尼器7的底端与所述第一支撑连接端51铰接，其顶端与所述第二支撑连接端61铰接。阻尼器7安装在所述安装空间8的中间位置处，可便于阻尼器7为两个并列连续钢箱梁桥增加竖弯模态阻尼比。
35.所述阻尼器7可为单个阻尼器或多个阻尼器。所述阻尼器7为粘滞阻尼器、电涡流阻尼器或其他直接耗能型阻尼器。
36.如图1和图2所示，所述阻尼器7设于所述第一钢箱梁1和所述第二钢箱梁2的两个桥梁涡振模态振型最大位移处y之间的安装空间8内。桥梁涡振模态振型可根据桥梁的结构受力分析得到。
37.基于同一个发明构思，本实施例还提供了一种并列连续钢箱梁桥，其包括至少两个连续钢箱梁桥，所述钢箱梁桥均沿顺桥向延伸，各所述钢箱梁桥均沿横桥向并列间隔设置，相邻两个钢箱梁之间均具有安装空间，任意两个所述钢箱梁之间均设有若干个所述的控制系统。
38.所述并列连续钢箱梁桥为双幅桥或多幅桥。
39.如图1和图2所示，本实施例还进行了相应的有限元模拟分析，建立了相邻两幅桥的有限元模型，并在有限元模型中建立了连接于两幅桥之间的控制系统，通过改变竖向阻尼器的阻尼系数，然后进行复模态分析，可得到安装控制系统后两幅桥第一阶竖弯模态反对称振型的附加阻尼比随阻尼器阻尼系数的变化情况(如图3所示)。相邻两个并列连续钢箱梁桥的竖弯模态阻尼比一般能够提高0.5％就能对桥梁竖向涡振起到显著的控制效果，如图3所示，阻尼器能够提供的阻尼比比较大，能够满足涡振控制的需求。
40.本实施例的一种并列连续钢箱梁桥竖向涡振的控制系统通过在相邻两个并列连续钢箱梁之间设置竖向出力的阻尼器以增加相邻两个并列连续钢箱梁桥的竖弯模态阻尼比，从而有效控制并列连续钢箱梁桥的竖向涡振，该控制系统的设置不受钢箱梁气动外形的影响，因此该控制系统具有普适性，适用范围广。本实施例的控制系统只需要在并列相邻两个钢箱梁桥涡振模态最大位移处一侧的安装空间内进行设置即可；同时该控制系统具有结构简单、布置实施方便、后期养护和维修方便的优点，可降低其施工成本。本实施例的控制系统不仅能够控制连续钢箱梁桥的竖向涡振，同时也可以对桥梁驰振、车致振动等其他形式的竖向振动也有一定的控制效果。
41.上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本实施例的各种等价形式的修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围。