[发明专利]大跨度桥梁钢箱梁颤振主动吹气流动控制装置

说明书

一种大跨度桥梁钢箱梁颤振主动吹气流动控制装置，包括两侧吹气支管、吹气总管、吹气动力控制设备和风速风向传感器，每侧箱梁结构轴线内布置吹气总管，在箱梁风嘴对来流风影响最小处布置风速风向传感器，每侧吹气支管分别与各吹气端口连接，多个吹气端口在每侧箱梁展向方向、以一定间隔，具体位置布置如下：箱梁上缘处开有吹气端口，风嘴上缘处开有吹气端口，箱梁下缘处开有吹气端口，风嘴下缘处开有吹气端口；采用风速风向传感器进行来流风风速与风向的测量。本发明结构简单，控制原理清晰，能够很好地提高大跨度桥梁钢箱梁的颤振稳定性。

技术领域

本发明涉及一种大跨度桥梁钢箱梁颤振主动吹气流动控制装置。

背景技术

1940年，主跨长度为853.4米的塔科马大桥在18m/s风速下发生严重的颤振现象，振幅不断增加使得吊索逐根被拉断，最终导致整体桥梁结构的坍塌，这也使得桥梁颤振的控制研究成为桥梁风工程学科里极为重要的一部分。通常来说，颤振是一种纯扭转或弯扭耦合振动的具有发散性质的自激振动。当气流流经非流线型断面时，易发生流动分离与再附的现象，在结构表面形成较为复杂的气动力分布。由于大跨度桥梁主梁刚度较低，在气动力的作用下易产生振动响应并反过来影响周围流场，流场与结构之间的相互作用又使得断面气动力分布发生改变，这种相互作用形成气动自激力，在结构动力学中主要表现为结构方程的气动阻尼项。当风速达到箱梁颤振临界风速时，气动阻尼为负且绝对值大于结构自身阻尼，总阻尼由正变负，即由耗能转变为吸能项，桥梁结构不断从周围流体中吸收能量使得自身振动幅度逐渐增加，出现具有发散性质的大幅度现象直至结构整体发生破坏，造成巨大的经济损失及交通影响，因此在桥梁设计及使用过程中应极力避免颤振的发生，这也严重限制了大跨度桥梁的进一步发展。颤振主要分为经典耦合颤振以及分离流颤振，由于桥梁主梁断面大多属于宽高比较小且上下不对称的钝体断面，在较高风速下断面产生较大风攻角使得流动分离、再附、漩涡合并与脱落的现象更易发生，因此钢箱梁的颤振主要属于分离流颤振(即扭转颤振)。从结构角度来看，钝体分离流颤振的发生是由扭转气动负阻尼驱动所致；从流场特性角度来看，颤振是由前缘分离旋涡引起的流体与钝体之间相互作用而产生的复杂振动。如何提高大跨桥梁箱梁颤振临界风速、避免主梁分离流颤振的出现，对于大跨度桥梁的设计、建造、使用及安全评定具有重要的意义。

目前，提高大跨桥梁主梁颤振稳定性的传统被动控制方法主要有外加机械阻尼控制法及空气动力控制法。外加机械阻尼控制法通常指在箱梁结构外表面设置机械阻尼系统，即通过附加阻尼的方式提高大跨度钢箱梁结构的阻尼，进而提高整体结构的颤振临界风速，应用较为广泛的外加阻尼器包括调谐质量阻尼器(TMD)及调谐液体阻尼器(TLD)等。虽然通过在结构上附加机械阻尼的方式提高结构阻尼能有效抑制钢箱梁风致振动响应，但阻尼措施的造价相对昂贵且维护不便，实际桥梁设计过程中常考虑气动控制措施。空气动力控制法是指通过改变箱梁断面几何特性进而改变结构周围流场特性，达到振动控制效果的控制方法，主要包括中央稳定板、中央开槽、挡风板、风向板及整流罩等，其中中央开槽被认为是一种有效提高颤振临界风速的控制措施，但并非对所有断面形状的钢箱梁均适用，对外形较为钝化的断面有可能起到反作用。其他被动气动控制措施设置不当时同样会弱化箱梁颤振稳定性，甚至恶化箱梁的涡振性能。

桥梁主梁段面大部分为近流线型钝体，由于主梁断面上下通常为非对称结构，当来流风流经箱梁且风速较大时，箱梁易产生一定的攻角并出现流动分离现象，进而产生前缘涡(LEV)，如图1、2所示，即为两个大攻角情况下前缘涡结构示意图。桥梁颤振是由于前缘分离产生的前缘涡运动及脱落所产生的较为复杂的相互作用现象，因此通过延迟或者抑制钢箱梁结构的流动分离所产生的前缘涡能有效改善钢箱梁的颤振性能。边界层在结构表面所产生的分离则是由于边界层处流体的速度梯度为零而脱落物体表面，若边界等附近的流体获得较高动量，即可防止或者延迟流动分离。由于前缘涡在结构表面运动所导致的表面压力不平衡分布是造成扭转颤振的主要原因，因此将吹气孔布置在箱梁前缘处来抑制流动分离时前缘涡(LEV)的产生可以有效改善桥梁主梁的颤振稳定性。传统的气动措施都是基于二维流场的控制手段，需要在主梁展向方向上通长设置附属装置，这种方式大大增加了成本投入，并且对原结构产生一定的影响。