[发明专利]大跨桥梁抗风水下阻尼系统

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁工程，具体是指大跨桥梁抗风水下阻尼系统。

背景技术

目前的大跨桥梁颤振控制研究主要有结构措施、空气动力学措施和机械阻尼措施三个方向。结构措施方面，主要做法是尽量采用抗扭刚度较大的加劲梁，如钢桁梁、钢箱梁等，以及设置交叉吊索系统等；空气动力学措施的一般做法有调整加劲梁的气动外形、设置中央稳定板及中央开槽等；机械阻尼措施的工程应用主要通过安装调谐质量阻尼器来提高桥梁结构阻尼。大量的工程实践证实了这些研究在有效控制大跨桥梁风动稳定性方面的积极意义。

随着杭州湾大桥等跨海工程的成功建设，21世纪的国际桥梁工程已经进入跨海连岛工程的新时期。在21世纪上半叶，规划中的欧亚博斯普鲁斯海峡第三通道、中国的琼州海峡通道及舟山连岛工程等一大批跨海工程将有可能付诸工程实践。为避开海洋超深水基础施工的困难，超大跨桥梁成为必然的选择。而随着桥梁跨度的增大，桥梁结构刚度急剧减弱，这使风致振动特别是颤振稳定性对桥梁安全性的影响更加重要。再加上来自海上台风的威胁，未来超大跨跨海大桥的建设将必然面临更高的抗风稳定性要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种大跨桥梁抗风水下阻尼系统，该系统的阻尼构件能在桥梁加劲梁发生竖向振动时在水中发生相应振动，由此耗散巨大能量并产生巨大阻力来抑制加劲梁振动，从而提高桥梁在风荷载作用下的稳定性；它可充分利用天然水资源，实施大规模廉价而又功能强大的的阻尼措施。

本发明的技术方案是，所述大跨桥梁抗风水下阻尼系统为：在大跨桥梁(如悬索桥、斜拉桥)的加劲梁或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，该阻尼构件在水平面上的投影面积A₀与其在任何垂直于水平面的平面上的投影面积A_x满足以下关系，A₀≥3A_x。如A₀＝10A_x，A₀＝20A_x，A₀＝100A_x等。

以下对本发明做出进一步说明。

本发明所述在大跨桥梁(如悬索桥、斜拉桥)的加劲梁或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，即是使所述吊索的一端与桥梁的加劲梁或主缆连接而另一端连接所述阻尼构件。所述阻尼构件是指在水平面上的投影面积A₀大于或等于其在任何垂直于水平面的平面上的投影面积A_x的三倍的构件。如水平薄板即是其中的一种。该阻尼构件的重力大于浮力而可浸没在水中。

本发明的主要工作原理是，借助桥梁结构外部作用(桥梁加劲梁振动时带动大面积阻尼构件在水中运动时产生的巨大阻力)抑制桥梁加劲梁的振动，大大增大桥跨系统阻尼，从而大幅提高大跨柔性桥梁的颤振稳定性，较好地解决大跨桥梁在风作用下的稳定性问题，并有可能较大程度地减小大跨桥梁建设的造价，取得较好的经济效果。

本发明的技术方案已经在湖南大学风工程实验研究中心HD-2号风洞第一试验段得到试验检验。试验以某特大悬索桥为背景，开展了扭弯频率比分别为3.0、2.5、2.0和1.5四种情况下的节段模型颤振试验研究，其中每种情况都进行了设置抗风水下阻尼系统前后的试验对比。试验结果表明：抗风水下阻尼系统能大幅提高不同扭弯频率比下悬索桥的颤振临界风速；其抗风减振效果，与阻尼构件的面积分布率(所谓面积分布率是指阻尼构件在水平面上的总投影面积与桥面总面积的比值)密切相关，且成单调递增关系，面积分布率越大，效果越明显。

试验桥梁的扭弯频率比为3.0，其采用的抗风措施为“设置分离式中央稳定板上稳定板高0.5m、下稳定板高1m，并辅之以封槽”的气动措施，其颤振检验风速为51.5m/s。试验测得该桥在0°风攻角情况下的实桥颤振临界风速为70.65m/s。

去掉该大桥的气动措施后，节段模型颤振风洞试验测得的在0°风攻角情况下，换算到实桥后的颤振临界风速结果，见下表：

表注：表中“开孔率”是指阻尼构件开孔面积与阻尼构件面积的比值；

表中f_t/f_h的是指桥梁的扭弯频率比。

通过对试验结果进行分析，不难发现：