一种抑制索结构驰振的气动装置及方法

本发明涉及桥梁工程索结构振动控制，特别涉及一种抑制索结构驰振的气动装置及方法。

背景技术：

1、索结构的风致振动，从振动机理划分，通常可分为风雨振、涡激振动、覆冰拉索驰振、干索驰振和尾流致振。控制索结构振动主要有三种措施：空气动力学措施、结构措施和机械措施。空气动力学措施通过改变索的形状或表面状态，进而改变索的气动性能达到控制索振动的目的。结构措施将各索之间用一根或多根辅助索连接起来，形成一个索网。结构措施破坏了原有索面的景观，较少在工程中应用。机械措施通常在索结构的端部安装阻尼器来提高索结构的阻尼进而控制索的振动。经过几十年的研究和实践证明在索表面缠绕螺旋线和端部安装阻尼器是抑制索结构振动的有效措施。

2、近几年，越来越多的城市选择在既有桥梁上增加夜间光彩照明工程。其中，对于缆索承重桥而言，通常会在斜拉索或吊索的表面安装亮化灯具。目前，已有多座大桥在灯具安装中和安装后，发生斜拉索或吊索的大幅振动。2019年，重庆夔门大桥斜拉索安装亮化灯具后，在6m/s的常遇风速下，发生了大幅度振动，最大峰-峰振幅达到1m；2020年，福州鼓山大桥吊索在安装亮化灯具过程中，在常遇风速下发生了振动，不得不暂停灯具的安装，造成一定的经济损失；2021年7月，长沙三汊矶大桥吊索同样在安装亮化灯具的过程中，在常遇风速下，部分已安装灯具的吊索发生了大幅度振动，振动发生后，大桥管理方紧急对大桥进行了封闭管制，导致整个城市交通瘫痪数小时之久。为了保证整座桥梁的安全运营，最后不得已，拆除了亮化灯具。已有相关研究表明，螺旋线对抑制索结构驰振的作用有限，不能满足工程实际应用。同时，以往的阻尼器设计通常采用sc＞10的准则，然而这一准则并不适用于索结构的驰振，抑制索结构驰振的sc远远大于10，这给阻尼器的设计及安装提出了很大的挑战，很难在实际工程中应用。一方面由于阻尼器造价昂贵，另一方面由于在实际应用中，受阻尼器安装高度的影响，阻尼器很难提供索结构较大的阻尼。为了保证安装亮化灯具后，拉索的气动稳定性，急需提出一种可以有效的解决办法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种抑制索结构驰振的气动装置及方法，在索结构表面外包多孔筒，通过合理设计多孔筒的参数，改善索结构的气动性能，进而避免驰振的发生。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种抑制索结构驰振的气动装置，包括多孔筒，所述多孔筒外包于索结构表面，所述多孔筒设置有多个开孔；当所述多孔筒外包于竖直索结构表面时，所述多孔筒的开孔率为28.3％～44.2％；

4、当所述多孔筒外包于倾斜索结构表面时，所述多孔筒的开孔率为19.6％～36％。

5、本发明通过合理设计多孔筒的参数，能够显著改善索结构的气动性能，进而避免驰振的发生。多孔筒可采用钢材、pvc、塑料等等，易于取材，且冲孔工艺成熟，相较于阻尼器而言，经济实惠，更容易被接受及应用。

6、优选地，当所述多孔筒外包于竖直索结构表面时，所述多孔筒的开孔率为28.3％或34.9％或36％或44.2％。在该参数范围内，能够显著改善索结构的气动性能，进而避免驰振的发生。

7、优选地，当所述多孔筒外包于倾斜索结构表面时，所述多孔筒的开孔率为19.6％或28.3％或34.9％或36％。在该参数范围内，能够显著改善索结构的气动性能，进而避免驰振的发生。

8、优选地，所述多孔筒为开设有缺口的圆弧筒，所述缺口抵接于所述索结构的灯具。通过设置缺口，便于将多孔筒固定安装于索结构，且便于和灯具进行抵接配合。

9、优选地，所述多孔筒外表面距离所述索结构中心点的距离与所述灯具外表面距离所述索结构中心点的距离相当，所述多孔筒外表面与所述灯具外表面圆滑过渡。从而能够将整个灯具包裹住，可以改变整个截面的形状，更好的改善索结构的气动性能，进而避免驰振的发生。

10、优选地，所述多孔筒可拆卸式固定安装于所述索结构表面，例如用卡扣抱箍之类的固定。

11、优选地，所述多孔筒的每个开孔的形状、大小相同。

12、优选地，所述开孔的形状为圆形或矩形，所述多孔筒的开孔大小为2-15mm，开孔间隔为4mm。在该参数范围内，能够显著改善索结构的气动性能，进而避免驰振的发生。

13、优选地，所述开孔的排布方式为错列布置或阵列布置。

14、本发明还公开了一种抑制索结构驰振的方法，在索结构表面固定安装有任一所述的抑制索结构驰振的气动装置。

15、本发明还公开了一种桥梁，包括索结构，所述索结构安装有灯具，所述索结构表面还固定安装有任一所述的抑制索结构驰振的气动装置。

16、本发明还公开了一种抑制索结构驰振的气动装置的开孔率的确定方法，包括以下步骤：

17、步骤一：制作索结构模型和多孔筒模型，其中所述多孔筒模型包括多种开孔率，将所述多孔筒模型固定安装于所述索结构模型的外表面；

18、步骤二：进行风洞试验，计算得到作用在模型上的升力fd、阻力fl，

19、fd＝-fxcosα+fysinα，

20、fl＝-fxsinα-fycosα，

21、其中，fx和fy分别为天平两个方向测得的力，α为风攻角；

22、步骤三：计算升力系数cd和阻力系数cl，

23、

24、

25、其中，ρ为空气密度，采用1.225kg/m3，u为来流风速，d为模型直径，l为模型的长度；

26、步骤四：计算驰振力系数cg，

27、

28、其中，αa为风攻角，

29、步骤五：选取驰振力系数cg大于0的多孔筒模型，确定多孔筒的开孔率。

30、通过本发明所述的确定方法，能够快速确定多孔筒的开孔率。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果：

32、1.本发明通过合理设计多孔筒的参数，能够显著改善索结构的气动性能，进而避免驰振的发生。多孔筒可采用钢材、pvc、塑料等等，易于取材，且冲孔工艺成熟，相较于阻尼器而言，经济实惠，更容易被接受及应用。

33、2.通过本发明所述的确定方法，能够快速确定多孔筒的开孔率。

技术特征：

1.一种抑制索结构驰振的气动装置，其特征在于，包括多孔筒(1)，所述多孔筒(1)外包于索结构(0)表面，所述多孔筒(1)设置有多个开孔(11)；

2.根据权利要求1所述的一种抑制索结构驰振的气动装置，其特征在于，当所述多孔筒(1)外包于竖直索结构(0)表面时，所述多孔筒(1)的开孔率为28.3％或34.9％或36％或44.2％。

3.根据权利要求1所述的一种抑制索结构驰振的气动装置，其特征在于，当所述多孔筒(1)外包于倾斜索结构(0)表面时，所述多孔筒(1)的开孔率为19.6％或28.3％或34.9％或36％。

4.根据权利要求1所述的一种抑制索结构驰振的气动装置，其特征在于，所述多孔筒(1)为开设有缺口(12)的圆弧筒，所述缺口(12)抵接于所述索结构(0)的灯具(2)。

5.根据权利要求4所述的一种抑制索结构驰振的气动装置，其特征在于，所述多孔筒(1)外表面距离所述索结构(0)中心点的距离与所述灯具(2)外表面距离所述索结构(0)中心点的距离相当，所述多孔筒(1)外表面与所述灯具(2)外表面圆滑过渡。

6.根据权利要求1所述的一种抑制索结构驰振的气动装置，其特征在于，所述多孔筒(1)可拆卸式固定安装于所述索结构(0)表面。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种抑制索结构驰振的气动装置，其特征在于，所述开孔(11)的形状为圆形或矩形，所述多孔筒(1)的开孔大小为2-15mm，开孔间隔为4mm。

8.一种抑制索结构驰振的方法，其特征在于，在索结构(0)表面固定安装有如权利要求1-7任一所述的抑制索结构驰振的气动装置。

9.一种桥梁，包括索结构(0)，所述索结构(0)安装有灯具，其特征在于，所述索结构(0)表面还固定安装有如权利要求1-7任一所述的抑制索结构驰振的气动装置。

10.一种抑制索结构驰振的气动装置的开孔率的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种抑制索结构驰振的气动装置及方法，其中一种抑制索结构驰振的气动装置，包括多孔筒，所述多孔筒外包于索结构表面，所述多孔筒设置有多个开孔；当所述多孔筒外包于竖直索结构表面时，所述多孔筒的开孔率为28.3％～44.2％；当所述多孔筒外包于倾斜索结构表面时，所述多孔筒的开孔率为19.6％～36％。本发明通过合理设计多孔筒的参数，能够显著改善索结构的气动性能，进而避免驰振的发生。多孔筒可采用钢材、PVC、塑料等等，易于取材，且冲孔工艺成熟，相较于阻尼器而言，经济实惠，更容易被接受及应用。

技术研发人员：李寿英,安苗,宋神友,范传斌,陈焕勇,盛建军,陈政清
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16