一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法

1.本发明涉及桥梁结构风致振动控制的技术领域，尤其是一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法。


背景技术：

2.随着现代建筑行业的发展，超高层的建筑不断涌现，并且由于具有质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低等特点而成为风敏感结构，其中就包括大跨径桥梁斜拉桥和悬索桥中会运用到的桥塔。
3.目前我国建设的大跨悬索桥、斜拉桥的桥塔大多都是混凝土主塔，其抗风稳定性是设计方案选择的关键因素之一；在现代大跨度桥梁的实际建设过程中，桥塔在相当长的一段时间内都处于独塔施工的状态；并且塔体竣工后，主缆或拉索的布设也需要一定的时间，这两种状态我们一般称为桥塔的自立状态。在这一阶段，由于缺少了缆索的支承，塔体结构刚度及阻尼都会明显低于成桥状态，对风荷载更加敏感；方形截面结构作为工程中常见的结构形式，流致方柱振动是具有广泛工程应用背景的流固耦合问题。
4.在现有技术中，主要通过阻尼器等机械装置控制桥塔风致振动，但阻尼器不能从根本上减小塔柱本身承受的风荷载，其振动的根源并没有被消除。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法，旨在解决现有技术中无法从根本上减小塔柱本身承受的风荷载的问题。
6.本发明是这样实现的，本发明提供一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法，包括：s1：以桥塔和垂直轴风机为原型，按一定的几何缩尺比设计并制作桥塔模型和垂直轴风机模型；s2：在所述桥塔模型上安装多层所述垂直轴风机模型，以进行减振效果测试；其中，每层所述垂直轴风机模型的数目为四个，并分别安装在所述桥塔模型的角部外侧；s3：对所述垂直轴风机模型的安装位置进行调节，并进行减振效果测试，重复多次以获取在所述桥塔上安装所述垂直轴风机的最佳位置；s4：根据获取的所述最佳位置，在所述桥塔上安装多层所述垂直轴风机；其中，所述多层垂直轴风机通过流经所述桥塔的来流获取风能并产生气流，减少所述桥塔表面稳定的涡的形成，并阻止尾流形成交替脱落的漩涡，从而降低气动力。
7.在其中一个实施例中，所述垂直轴风机包括h型三叶片风机和s式风机中的任意一种。
8.在其中一个实施例中，所述s1包括：s11：对所述桥塔和所述垂直轴风机进行数据测量；s12：确定一个固定的缩尺比，并按照所述缩尺比设计所述桥塔模型和所述垂直轴风机模型；
s13：根据设计方案制作所述桥塔模型和所述垂直轴风机模型。
9.在其中一个实施例中，所述s2包括：s21：固定所述桥塔模型，并在所述桥塔模型上安装多层垂直轴风机模型；s22：使用鼓风机模拟流经所述桥塔模型的来流，以进行减振效果测试。
10.在其中一个实施例中，所述s3包括：s31：重复多次调节所述垂直轴风机模型的位置，并对所述垂直轴风机模型的位置和减振效果进行记录；s32：对比所述减振效果，以确定安装所述垂直轴风机模型的最佳位置；s33：根据缩尺比计算获取在所述桥塔上安装所述垂直轴风机的最佳位置。
11.在其中一个实施例中，所述垂直轴风机通过缆线与蓄电池组连接设置，用于传输所述垂直轴风机产生的电能。
12.在上述提供的一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法中，具有以下优势：一、通过在桥塔的角部位置设置若干垂直轴风机，利用流经桥塔的来流驱动垂直轴风机，垂直轴风机产生的气流将与竖直方向上的来流进行碰撞，以导致桥塔表面上无法形成稳定的涡，阻止尾流形成交替脱落的涡，从根本上减小塔柱本身承受的风荷载的问题。
13.通过建立桥塔和垂直轴风机的模型，并进行多次测试，以获取在桥塔上安装垂直轴风机的最佳位置，根据最佳位置进行垂直轴风机的设置，令桥塔的减振效果达到最佳化。
附图说明
14.图1是本发明实施例提供的一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法的流程示意图；图2是本发明实施例提供的一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法的步骤s1的流程示意图；图3是本发明实施例提供的一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法的步骤s2的流程示意图；图4是本发明实施例提供的一种基于垂直轴风机的桥塔减振方法的步骤s3的流程示意图；图5是本发明实施例提供的桥塔与一种基于垂直轴风机的桥塔减振装置示意图；图6是本发明实施例提供的一种基于垂直轴风机的桥塔减振装置的h型三叶片风机实施例的示意图；图7是本发明实施例提供的一种基于垂直轴风机的桥塔减振装置的s式风机实施例的示意图。
15.附图标记：1-垂直轴风机、2-桥塔。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
18.以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
19.参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，为本发明提供较佳实施例。
20.本发明提供一种基于垂直轴风机1的桥塔2减振方法，包括：s1：以桥塔2和垂直轴风机1为原型，按一定的几何缩尺比设计并制作桥塔2模型和垂直轴风机1模型。
21.具体地，在桥塔2上安装垂直轴风机1，可以利用垂直轴风机1产生的气流抵消流经桥塔2的来流，减少桥塔2表面产生的涡，并阻止尾流形成交替脱落的涡，以实现减振效果，可以理解的是，桥塔2的高度要远大于垂直轴风机1的长度，因此单独一个垂直轴风机1只能够对桥塔2的某一段高度进行减振，为了减振效果的最大化，需要在桥塔2上安装多层垂直轴风机1。
22.更具体地，为了确认在桥塔2上安装多层垂直轴风机1后，能够实现最佳的减振效果，需要通过测试来确定安装垂直轴风机1的最佳位置。
23.更具体地，以桥塔2和垂直轴风机1为原型，按一定的几何缩尺比设计并制作桥塔2模型和垂直轴风机1模型，通过在桥塔2模型上安装垂直轴风机1模型，并使用鼓风机模拟流经桥塔2的来流，以检测减振效果。
24.s2：在桥塔2模型上安装多层垂直轴风机1模型，以进行减振效果测试。
25.具体地，桥塔2的截面外形为矩形，即桥塔2具有四个角部，桥塔2截面的四个角部位置均可以用于设置垂直轴风机1，即在桥塔2设置的多层垂直轴风机1中，每一层垂直轴风机1的数目为四个。
26.更具体地，桥塔2模型和垂直轴风机1模型的目的在于测试出在桥塔2上安装垂直轴风机1的最佳位置，因此，在桥塔2模型上安装垂直轴风机1模型的方式与在桥塔2上安装垂直轴风机1的方式一致，即在桥塔2模型上安装多层垂直轴风机1模型，每层垂直轴风机1模型的数目为四个，分别安装在桥塔2模型的角部位置。
27.s3：对垂直轴风机1模型的安装位置进行调节，并进行减振效果测试，重复多次以获取在桥塔2上安装垂直轴风机1的最佳位置。
28.具体地，在桥塔2模型上设置的垂直轴风机1模型的层数，以及各层垂直轴风机1模型的距离，都会对减振效果产生影响，因此需要对垂直轴风机1模型的位置进行多次调节和减振效果记录，对减振效果进行比较，以得出获取最佳减振效果的安装位置。
29.s4：根据获取的最佳位置，在桥塔2上安装多层垂直轴风机1。
30.具体地，桥塔2模型和垂直轴风机1模型是根据桥塔2和垂直轴风机1进行一定的缩尺比缩小来进行设计和制作的，因此，在获取了桥塔2模型上垂直轴风机1模型的最佳安装位置后，可以通过该缩尺比来对还原出在桥塔2上安装垂直轴风机1的最佳安装位置。
31.更具体地，当来流流经壁面附近时，风机旋转产生的气流与壁面附近的气流发生碰撞抵消，大大减少了方柱表面稳定的涡的形成，传统意义上的边界层及其副作用就可以被消除，阻止尾流形成交替脱落的旋涡，从而极大地减小结构表面的脉动压力，大幅度降低
结构表面的升力。由于尾流无法形成交替脱落的旋涡也在一定程度上减小了尾流的宽度，消除了尾流中绝对不稳定区的存在，使得结构表面的阻力也得到了大幅度的降低。
32.更具体地，垂直轴风机1具有一个用于将垂直轴风机1安装在桥塔2角部外侧的固定支架，固定支架将若干垂直轴风机1固定安装在桥塔2的角部，桥塔2是具有方形截面的桥塔，即桥塔2的外形近似截面为方形的棱柱，桥塔2的角部即桥塔2截面的四个直角的外侧位置，因此固定支架的外形需要与桥塔2的角部相契合，令其能够贴合桥塔2壁面设置，且固定支架上设置有若干安装孔，以供螺栓进入实现将固定支架固定安装在桥塔2角部外侧。
33.本发明具有以下优势：一、通过在桥塔2的角部位置设置若干垂直轴风机1，利用流经桥塔2的来流驱动垂直轴风机1，垂直轴风机1产生的气流将与竖直方向上的来流进行碰撞，以导致桥塔2表面上无法形成稳定的涡，阻止尾流形成交替脱落的涡，从根本上减小塔柱本身承受的风荷载的问题。
34.二、通过建立桥塔2和垂直轴风机1的模型，并进行多次测试，以获取在桥塔2上安装垂直轴风机1的最佳位置，根据最佳位置进行垂直轴风机1的设置，令桥塔2的减振效果达到最佳化。
35.在一些实施例中，垂直轴风机1包括h型三叶片风机和s式风机中的任意一种。
36.具体地，h型三叶片风机具有三片矩形的叶片，并且叶片与垂直轴风机1中心位置的主轴通过连接杆进行连接，呈现h型的外形；s式风机的具有s型的叶片，叶片与垂直轴风机1中心位置的主轴通过连接杆进行连接。
37.在一些实施例中，s1包括：s11：对桥塔2和垂直轴风机1进行数据测量。
38.具体地，在制作桥塔2模型和垂直轴风机1模型之前，需要对桥塔2和垂直轴风机1进行测量，以获取其外形的数据。
39.s12：确定一个固定的缩尺比，并按照缩尺比设计桥塔2模型和垂直轴风机1模型。
40.具体地，在获取了桥塔2和垂直轴风机1的数据后，可以确定一个适当的缩尺比，来对桥塔2和垂直轴风机1进行缩小，设计出桥塔2模型和垂直轴风机1模型。
41.s13：根据设计方案制作桥塔2模型和垂直轴风机1模型。
42.及具体的，当得到设计方案后，即可进行桥塔2模型和垂直轴风机1模型的生产，可以理解的是，桥塔2模型生产的数量为一个，垂直轴风机1模型生产的数量为四个的倍数，可以理解的是，在桥塔2模型上每层设置四个垂直轴风机1模型，并且在桥塔2模型上设置多层垂直轴风机1模型。
43.在一些实施例中，s2包括：s21：固定桥塔2模型，并在桥塔2模型上安装多层垂直轴风机1模型。
44.具体地，将桥塔2模型固定在地面上，令其保持稳定，以确保在测试中桥塔2模型不会倒塌。
45.更具体地，在固定好桥塔2模型后，在桥塔2模型上安装多层垂直轴风机1模型，其中，每层垂直轴风机1模型数目为四个，且分别设置在桥塔2模型的角部外侧。
46.s22：使用鼓风机模拟流经桥塔2模型的来流，以进行减振效果测试。
47.具体地，在实际环境中，会有来流流经桥塔2的表面，在桥塔2壁面产生稳定的涡，
并在尾流中产生交替脱落的涡，以对桥塔2的稳定造成影响。
48.更具体地，在桥塔2角部外侧设置垂直轴风机1后，垂直轴风机1将通过来流获取风能，并产生新的气流，新的气流将与来流发生碰撞，阻止桥塔2壁面产生稳定的涡，并阻止尾流中产生交替脱落的涡，从而确保桥塔2的稳定性。
49.更具体地，在桥塔2上设置多层垂直轴风机1，垂直轴风机1的层数的不同以及各层垂直轴风机1的间距的不同会对减振效果造成影响，因此需要使用桥塔2模型和垂直轴风机1模型进行多次测试，以得出在桥塔2上安装垂直轴风机1的最佳位置。
50.在一些实施例中，s3包括：s31：重复多次调节垂直轴风机1模型的位置，并对垂直轴风机1模型的位置和减振效果进行记录。
51.具体地，在桥塔2模型时安装多层垂直轴风机1模型，将此时的位置信息记录为a1，将减振效果记录为b1。
52.更具体地，调节垂直轴风机1模型在桥塔2模型上的位置，并将此时的位置信息记录为a2，减振效果记录为b2。
53.更具体地，重复调节垂直轴风机1在桥塔2模型上的位置，并对其位置信息和减振效果记录为an、bn。
54.s32：对比减振效果，以确定安装垂直轴风机1模型的最佳位置。
55.具体地，对所有的bn进行比较，以获取最佳的减振效果，与该bn相对应的an即为最佳的安装垂直轴风机1的方案。
56.s33：根据缩尺比计算获取在桥塔2上安装垂直轴风机1的最佳位置。
57.具体地，桥塔2模型和垂直轴风机1模型为以桥塔2和垂直轴风机1为原型按一定缩尺比设计并制作，因此根据缩尺比即可通过an还原出在桥塔2上安装垂直轴风机1的最佳位置。
58.在一些实施例中，垂直轴风机1通过缆线与蓄电池组连接设置。
59.具体地，垂直轴风机1是一种风力发电机，通过风力驱动进行发电，因此垂直轴风机1可以产生电能，为了避免这这些电能的浪费，可以通过缆线将垂直轴风机1与蓄电池组连接起来，以将垂直轴风机1产生的电能储存在蓄电池组中。
60.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。