提升大跨度桥梁风振性能的结构及方法

1.本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是涉及一种提升大跨度桥梁风振性能的结构及方法。


背景技术：

2.目前桥梁大跨度化已逐渐成为趋势，但由于大跨度桥梁的主梁具有结构柔、阻尼小、自重轻的特点，导致大跨度桥梁在外荷载作用下结构响应幅度较大、对风荷载十分敏感，从而出现不可忽视的风致振动问题，其中颤振和涡振最具代表性，颤振是一种可能发散的自激振动，其具有对桥梁结构造成严重破坏的可能性；涡振是一种限幅振动，虽不至于造成桥毁的严重事故，但其往往在较低风速下便会发生，容易对行车安全及舒适造成不利影响，甚至使桥梁出现结构疲劳破坏，因此颤振、涡振等风振问题的控制需要得到广泛重视。
3.工程中常见的风致振动的控制措施主要有机械控制措施和气动控制措施，其中，机械控制措施例如采用可调质量阻尼器(tmd)，可调质量阻尼器虽有较好的减振效果，但具有造价高以及体型受梁高限制的缺点，因而，一般认为相同情况下，应优先考虑抑振机理更加积极的气动控制措施，常见的气动控制措施有导流板、抑流板、中央稳定板、中央开槽和风嘴等，这些气动控制措施通常固定在桥梁结构上，可称为被动气动控制，其因造价低、鲁棒性强而得到广泛使用。
4.但是目前采用传统被动气动措施的大跨度桥梁仍然具有以下技术问题：
5.1.大跨度桥梁所处风环境十分复杂，传统被动气动措施一经风洞试验确定，其布置就难以调整，因此只能在一定风攻角和较低风速范围内起作用，面对复杂风环境时，鲁棒性和普适性较弱，故应用有限。
6.2.由于大跨度桥梁结构风振性能对气动外形的敏感性，使得一种被动气动措施在提高某一风振性能的同时，可能会降低其他风振性能。
7.3.为满足大跨度桥梁正常使用的需求，桥梁附属设施如栏杆(包括检修轨道栏杆和防撞栏杆等)的布置会进一步钝化桥面外形，从而降低桥梁风振性能(试验证明栏杆处气流分离、旋涡脱落现象严重)。
8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.针对上述情况，本发明提供一种提升大跨度桥梁风振性能的结构，旨在解决上述背景技术中提出的技术问题。
10.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
11.第一方面，本发明提供一种提升大跨度桥梁风振性能的结构，其主要可以包括：
12.立柱；
13.栏杆，安装于立柱；及
14.主动吹吸气结构，包括吸气口、吹气口、吸气管道、吹气管道、来流监测装置和动力控制装置；
15.吸气口和吸气管道相互连通，吹气口和吹气管道相互连通；
16.来流监测装置用于监测栏杆处来流的风速和风向；
17.动力控制装置能够根据来流监测装置所确定的风速和风向，控制吸气口主动吸气、吹气口主动吹气，并能够调节吹吸力的大小；
18.其中：
19.吸气口和吹气口分别开设在栏杆的迎风侧和背风侧；
20.吸气管道和吹气管道不连通，并均设于栏杆内。
21.在本发明的一些实施例中，在栏杆的长度方向上，分布有多个主动吹吸气结构。
22.在本发明的一些实施例中，多个吸气口和吹气口均匀分布在栏杆上。
23.在本发明的一些实施例中，吸气管道和所述吹气管道均设于栏杆内。
24.第二方面，本发明提供一种提升大跨度桥梁风振性能的结构，其主要可以包括：
25.立柱；
26.栏杆，安装于立柱；及
27.主动吹吸气结构，包括吸气口、吹气口、吸气管道、吹气管道、主梁振动响应监测装置和动力控制装置；
28.吸气口和吸气管道相互连通，吹气口和吹气管道相互连通；
29.主梁振动响应监测装置用于监测主梁振动响应情况；
30.动力控制装置能够根据主梁振动响应监测装置所监测到的主梁振动响应情况，控制吸气口主动吸气、吹气口主动吹气，并能够调节吹吸力的大小；
31.其中：
32.吸气口和吹气口分布在栏杆的迎风侧和背风侧；
33.吸气管道和吹气管道不连通，并均设于栏杆内。
34.在本发明的一些实施例中，在栏杆的长度方向上，分布有多个主动吹吸气结构。
35.在本发明的一些实施例中，多个吸气口和吹气口均匀分布在栏杆上。
36.在本发明的一些实施例中，吸气管道和所述吹气管道均设于栏杆内。
37.第三方面，本发明提供一种提升大跨度桥梁风振性能的方法，其主要可以包括如下步骤：
38.s1：监测来流风速和风向或者监测主梁振动响应情况；
39.s2：当监测得到的来流风速达到涡振或颤振风速时，通过动力控制装置使栏杆迎风侧的吸气口主动吸气、栏杆背风侧的吹气口主动吹气；
40.或者，
41.当监测得到的主梁振动响应情况达到涡振或表现颤振发生趋势时，通过动力控制装置使栏杆迎风侧的吸气口主动吸气、栏杆背风侧的吹气口主动吹气。
42.在本发明的一些实施例中，吸气口主动吸气和吹气口主动吹气力度的大小，随着监测得到的来流风速的增大而增大。
43.与现有技术相比，本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
44.1.本发明采用主动气动控制措施，可根据来流风速风向，实时地调整主动吹吸气
结构是否进行吹吸；当吸气口吸气且吹气口吹气时，能够在栏杆处形成三维展向扰动，破坏在颤振或涡振过程中该处形成的涡脱结构，从而有效地提高桥梁风致振动稳定性。
45.2.本发明采用主动气动控制措施，抑振机理更加积极主动，能适应各种风环境下的抑振任务，对桥梁风致振动的控制效果也更加显著。
46.3.在栏杆上开孔(吸气口和吹气口)对大跨度桥梁气动外形的影响最小，因而不易出现抑制一种振动的同时又放大另一种振动响应的情况；即使是在主动吹吸气结构损坏失效或断电等情况下，也不会因为其结构本身对桥梁气动外形造成改变而影响风致振动稳定性。
47.4.与在主梁上开孔(吸气口和吹气口)进行主动吹吸气的方案相比，在栏杆上开孔有以下好处：主动吹吸气结构的安装、维护、更换更加方便，可实现性更好；主动吹吸气结构可跟随栏杆的位置移动而灵活布置，以起到更好的抑振效果；由于，在栏杆处气流分离、旋涡脱落现象严重，因此，在此处破坏颤振或涡振过程中形成的涡脱结构时，对吹吸力的利用率较高；若在主梁上开孔，则对主梁结构受力影响较大，而栏杆对受力性能要求不高，因此，更适合在栏杆上开孔。
48.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
49.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
50.图1为主梁和提升大跨度桥梁风振性能的结构示意图；
51.图2为栏杆和立柱的结构示意图；
52.图3为吸气口、吹气口、吸气管道和吹气管道的结构示意图；
53.图4为实施例1提供的来流监测装置和动力控制装置的结构示意图；
54.图5为实施例2提供的主梁振动响应监测装置和动力控制装置的结构示意图。
55.图标：
56.1-立柱，
57.2-栏杆，21-迎风侧，22-背风侧，
58.31-吸气口，32-吹气口，33-吸气管道，34-吹气管道，351-来流监测装置，352-主梁振动响应监测装置，36-动力控制装置，
59.4-主梁。
具体实施方式
60.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。
61.在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“内”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实施例和简化描述，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实施例的限制。
62.此外，术语“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
63.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
64.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
65.实施例1
66.请参照图1-图4，图4中箭头所示方向为气流方向；第一方面，本实施例提供一种提升大跨度桥梁风振性能的结构，其主要可以包括：立柱1、栏杆2和主动吹吸气结构。
67.栏杆2和立柱1是大跨度桥梁的附属设施，栏杆2安装于立柱1，立柱1安装在主梁4的上侧边缘处。
68.主动吹吸气结构主要可以包括吸气口31、吹气口32、吸气管道33、吹气管道34、来流监测装置351和动力控制装置36；在栏杆2的长度方向上，可以分布有多个主动吹吸气结构，或者说，可以沿主梁4的长度方向，将主梁4划分为多个桥段，每个桥段上的栏杆2上均可以单独地设置一个主动吹吸气结构，以使各个主动吹吸气结构可以单独工作或相互配合，从而提高抑振效果。
69.吸气口31和吸气管道33相互连通，吹气口32和吹气管道34相互连通；吸气口31和吹气口32分别开设在栏杆2的迎风侧21和背风侧22，多个吸气口31和吹气口32均匀分布在栏杆2上；吸气管道33和吹气管道34不连通，二者独立发挥作用；在一个具体的实施场景中，吸气管道33和吹气管道34均设于栏杆2内，也就是说，将栏杆2本身作为管道，主动吹吸气结构便无需为吸气管道33和吹气管道34的设置而额外配置管道；在额外配置管道时，为了尽可能降低对大跨度桥梁气动外形的影响，需要隐藏额外配置的管道，这虽然实现起来并不困难，但相对而言更麻烦。
70.来流监测装置351用于实时监测栏杆2处来流的风速和风向。
71.动力控制装置36能够根据来流监测装置351所确定的风速和风向，控制吸气口31主动吸气、吹气口32主动吹气，并能够调节吹吸力的大小。
72.本实施例采用主动气动控制措施，具体而言，有风时，可根据来流的风速风向，实时地调整主动吹吸气结构是否进行吹吸以及吹吸力的大小；当吸气口31吸气且吹气口32吹气时，能够在栏杆2处形成三维展向(栏杆2的长度方向)扰动，破坏在颤振或涡振过程中该处形成的涡脱结构，从而有效地提高桥梁风致振动稳定性；无风时，吸气口31和吹气口32不工作，不影响大跨度桥梁的气动性能。
73.可以理解的是，在开设吸气口31和吹气口32后，二者在栏杆2上的位置是不变的，上述栏杆2的迎风侧21和背风侧22是相对的两个概念，这是因为风向是在不断变化的，当风向改变后，栏杆2的迎风侧21和背风侧22也可能会改变，因此栏杆2的迎风侧21和背风侧22并不是指栏杆2固定的两个侧面；同理，吸气口31和吹气口32也是相对的两个概念，也就是
说，当栏杆2的一侧迎风时，该侧即为迎风侧21，迎风侧21上的孔为吸气口31，栏杆2的另一侧便为背风侧22，背风侧22上的孔为吹气口32。
74.第二方面，本实施例提供一种提升大跨度桥梁风振性能的方法，其应用了本实施例提供的提升大跨度桥梁风振性能的结构，该方法主要可以包括如下步骤：
75.s1：通过来流监测装置351监测来流风速和风向或者监测主梁4振动响应情况；
76.s2：当监测得到的来流风速达到涡振或颤振风速时，通过动力控制装置36使栏杆2迎风侧21的吸气口31主动吸气、栏杆2背风侧22的吹气口32主动吹气，并且吸气口31主动吸气和吹气口32主动吹气力度的大小，可随着监测得到的来流风速的增大而增大。
77.实施例2
78.请参照图1、图2、图3和图5，第一方面，本实施例提供一种提升大跨度桥梁风振性能的结构，其主要可以包括：立柱1、栏杆2和主动吹吸气结构。
79.栏杆2和立柱1是大跨度桥梁的附属设施，栏杆2安装于立柱1，立柱1安装在主梁4的上侧边缘处。
80.主动吹吸气结构主要可以包括吸气口31、吹气口32、吸气管道33、吹气管道34、来流监测装置351和动力控制装置36；在栏杆2的长度方向上，可以分布有多个主动吹吸气结构，或者说，可以沿主梁4的长度方向，将主梁4划分为多个桥段，每个桥段上的栏杆2上均可以单独地设置一个主动吹吸气结构，以使各个主动吹吸气结构可以单独工作或相互配合，从而提高抑振效果。
81.吸气口31和吸气管道33相互连通，吹气口32和吹气管道34相互连通；吸气口31和吹气口32分别开设在栏杆2的迎风侧21和背风侧22，多个吸气口31和吹气口32均匀分布在栏杆2上；吸气管道33和吹气管道34不连通，二者独立发挥作用；在一个具体的实施场景中，吸气管道33和吹气管道34均设于栏杆2内，也就是说，将栏杆2本身作为管道，主动吹吸气结构便无需为吸气管道33和吹气管道34的设置而额外配置管道；在额外配置管道时，为了尽可能降低对大跨度桥梁气动外形的影响，需要隐藏额外配置的管道，这虽然实现起来并不困难，但相对而言更麻烦。
82.主梁振动响应监测装置352用于实时监测主梁4振动响应情况。
83.动力控制装置36能够根据主梁振动响应监测装置352所监测到的主梁4振动响应情况，控制吸气口31主动吸气、吹气口32主动吹气，并能够调节吹吸力的大小。
84.本实施例采用主动气动控制措施，具体而言，可根据主梁4振动响应情况，实时地调整主动吹吸气结构是否进行吹吸以及吹吸力的大小；当吸气口31吸气且吹气口32吹气时，能够在栏杆2处形成三维展向(栏杆2的长度方向)扰动，破坏在颤振或涡振过程中该处形成的涡脱结构，从而有效地提高桥梁风致振动稳定性。
85.可以理解的是，在开设吸气口31和吹气口32后，二者在栏杆2上的位置是不变的，上述栏杆2的迎风侧21和背风侧22是相对的两个概念，这是因为风向是在不断变化的，当风向改变后，栏杆2的迎风侧21和背风侧22也可能会改变，因此栏杆2的迎风侧21和背风侧22并不是指栏杆2固定的两个侧面；同理，吸气口31和吹气口32也是相对的两个概念，也就是说，当栏杆2的一侧迎风时，该侧即为迎风侧21，迎风侧21上的孔为吸气口31，栏杆2的另一侧便为背风侧22，背风侧22上的孔为吹气口32。
86.第二方面，本实施例提供一种提升大跨度桥梁风振性能的方法，其应用了本实施
例提供的提升大跨度桥梁风振性能的结构，该方法主要可以包括如下步骤：
87.s1：通过主梁振动响应监测装置352监测来流风速和风向或者监测主梁4振动响应情况；
88.s2：当监测得到的主梁4振动响应情况达到涡振或表现颤振发生趋势时，通过动力控制装置36使栏杆2迎风侧21的吸气口31主动吸气、栏杆2背风侧22的吹气口32主动吹气。
89.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。