[发明专利]一种漂浮体系悬索桥加劲梁涡振的半主动控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种漂浮体系悬索桥加劲梁涡振的半主动控制方法及系统，其中控制方法包括：在牛腿与漂浮的加劲梁之间设置可控耗能减振单元；采集加劲梁的振动响应信号和桥面的风速信号；判断加劲梁是否发生涡振响应；若发生了涡振响应，则识别对应的结构模态，并判断涡振响应的幅值是否大于设定阈值；若大于，则用半主动控制算法计算并调节可控耗能减振单元的可变控制参数至最优值。本发明不影响桥梁正常运营，结构简单，实施方便，能有效控制大跨度漂浮体系悬索桥多个模态的涡振，大大降低了减振控制措施的实施难度，提高了减振控制措施的经济性，可靠性好，鲁棒性高，能够在结构参数和来流条件存在不确定因素的情况下，仍然保证较高的减振效率。

技术领域

本发明属于结构振动控制领域，特别涉及一种漂浮体系悬索桥加劲梁涡振的半主动控制方法及系统。

背景技术

风致稳定性是超大跨度悬索桥建设的控制因素。通过气动选型和气动优化已经可以显著地提高大跨度悬索桥的颤振稳定性，使之能够满足主跨2000m以内超大跨度悬索桥的建设需要。但是，大跨度悬索桥的加劲梁涡振问题(特别是竖向涡振问题)尚未很好解决。例如，我国的西堠门大桥和丹麦的大带东桥等均在成桥以后6～10m/s的常遇风速下观测到了振幅超过20cm的竖向涡振。

主梁涡振是指气流流经主梁断面时产生流动分离和周期性旋涡脱落，使主梁两侧表面出现交替变化的正负压力，当旋涡脱落的频率接近结构某一阶固有频率时，主梁横风向或扭转方向就可能产生有限振幅的共振。

与颤振相比，大跨度悬索桥的涡振具有如下特点：第一，涡激振动是一种非线性自限幅振动。它虽然不像颤振一样会在短时间内对结构造成灾难性破坏，但如果涡振振幅过大则会影响桥上行车的舒适和安全，对桥梁的正常运营造成不利影响，频繁发生的涡振还可能会引起构件的疲劳破坏。第二，大跨度悬索桥的涡振表现为单一模态的振动，但固有频率在0.6Hz以内的竖弯模态在桥梁正常运营风速限值25m/s内都有发生涡振的可能。以西堠门大桥为例，它在0.5Hz以下分布有8个竖弯模态，按梁高D＝3.50m，平均斯托罗哈数St＝0.12估算，前8阶竖弯模态对应的涡振起振风速都在15m/s以下。因此，确保大跨度悬索桥各阶模态的涡振振幅满足规范要求是工程人员和桥梁运营单位高度关注的工程问题。

大跨度桥梁的涡振控制主要有气动措施和机械措施两种方法。

气动措施主要是通过增加导流板、风嘴或抑流板等附属导流装置来调整加劲梁断面的外形，达到抑制加劲梁表面发生规律性涡脱的目的，一般在设计建造阶段实施。

机械措施是指在桥梁上安装被动或者主动的耗能减振装置，通过耗能减振装置吸收并耗散加劲梁的涡振能量达到减小涡振振幅的目的。目前在实际工程中有应用的机械措施主要是调谐质量减振器(TMD)，例如日本的东京湾航道桥、巴西的里约罗尼泰大桥、中国的崇启大桥以及俄罗斯的伏尔加河大桥等都采用了TMD减振器对加劲梁的竖弯涡振进行控制。上述桥梁都属于连续钢箱梁桥，梁高都在5m以上，而且最多只有前3阶竖弯模态涡振需要控制，因此TMD具有良好的适用性。

但要，把TMD用于大跨度悬索桥的涡振控制实施起来难度非常大。因为需要对每一阶竖弯模态单独设计一套减振器，而大跨度悬索桥在0.5Hz频率下可能有多达十阶以上加劲梁竖向振动模态，每阶模态质量按2万吨估算。假定每套TMD的质量为各阶模态质量的0.5％，TMD系统的总有效质量将超过1000吨。其次，TMD弹簧的静伸长仅由TMD的固有频率决定，假定主梁的竖向频率f＝0.2Hz，弹簧的静伸长约为Δ＝9.86/(2πf)²＝6.25m，不仅弹簧制作困难，而且无法置于加劲梁内(加劲梁高一般不超过5m)。另一方面，在既有桥梁上追加气动措施也有难度。因为气动措施必须沿桥梁全跨或大部分跨径布置，所以气动措施的施工过程必然会影响桥梁的正常运营，还可能会引起一定的社会恐慌。综上所述，为解决既有大跨度悬索桥的涡振问题，亟需探索和研究新的涡振控制方法。

发明内容