[发明专利]基于主动吸气的大跨度桥梁多阶涡振智能控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于主动吸气的大跨度桥梁多阶涡振智能控制系统及方法，当检测到的风速达到产生涡振的风速时，确定产生涡振的阶数，根据涡振的阶数控制迎风侧对应位置的第一吸气机构、第二吸气机构工作，第一吸风装置、第二吸风装置开始吸收来流风，通过对来流风的吸收在迎风侧或背风侧形成吸气流，从而在箱梁展向方向形成展向干扰，干扰了桥梁表面的风场，避免了涡流脱落的形成，在桥梁上下缘、下腹板处形成流向涡，进而破坏尾流旋涡的展向相关性，激发涡振过程中的尾流三维不稳定特性，削弱了涡振响应，减小了对桥梁的影响，使桥梁构件不会发生疲劳破坏，以致对舒适性不会产生影响。

技术领域

本发明属于桥梁抗风技术领域，尤其涉及一种基于主动吸气的大跨度桥梁多阶涡振智能控制系统及方法。

背景技术

近年来，国内外建成许多跨江渡海的大跨度桥梁，其结构形式主要以悬索桥、斜拉桥为主，如明石海峡大桥、中国舟山西堠门大桥、苏通大桥、润扬大桥等。对于这些大跨度缆索支承桥梁来说，随着跨径的增加，结构刚度大幅下降，使得风荷载常常成为控制荷载，同时风致振动也成为威胁桥梁安全的主要因素。风对桥梁造成的病害是多方面的，其中涡激振动(简称涡振)是气流流经钝体结构时产生漩涡脱落，使结构两侧表面受到交替变化的正负压力而激励起结构横风向限幅振动。尽管涡振不像颤振、驰振一样是发散性的毁灭性的振动，但由于它发生风速低、频率高且振幅之大足以影响行车安全，有可能导致交通中断或行人丧失安全感，导致桥梁构件过早的疲劳破坏。

国内外许多桥梁也受到了涡振的影响。巴西的Rio-Niteroi Bridge在使用过程中多次发生强烈的一阶竖向模态的大振幅涡激共振现象，使桥上人员弃车而逃。日本的Trans-Tokyo Bay Bridge在风速达到16m/s～17m/s时，桥面就发生明显的以一阶竖向模态为主的涡激振动，跨中单边振动峰值达50cm。我国江苏省崇启大跨度连续梁桥在方案设计阶段的风洞试验发现，主梁在实桥17-19m/s的风速区间内发生振幅近50cm的大幅竖向涡激共振。

目前工程中常用的对大跨度桥梁风致振动的被动控制措施可分为外加机械阻尼控制措施和气动控制措施。外加机械阻尼控制方式是利用桥梁风致振动对结构阻尼敏感性的特点，通过增设外加阻尼器(如调谐质量阻尼器TMD等)提高桥梁结构自身阻尼来降低涡振响应，提升颤振临界风速。这种措施虽然可以有效降低大跨度桥梁箱梁的风荷载敏感性，但其造价相对较高，需要定期维护等问题，同样给实际工程带来诸多不便。气动控制措施则是针对箱梁结构与来流之间相互作用的方面加以控制，通过修改结构气动外形来减弱由于流固耦合而带来的风致振动的响应。常用的气动控制方式包括增加箱梁横截面流线型减弱边界层分离的装置，如风嘴、整流罩等；通过控制破坏尾流涡结构的装置，如导流板等；通过改变结构表面气压分布进而提高结构颤振临界风速的措施，如中央开槽、增设中央稳定板等。这些被动控制措施具有不需要能量输入，合理设计下能够很好的提高大跨桥梁箱梁气动稳定性的优点，然而流固耦合现象是一个非常复杂的过程，传统被动控制措施并不能起到非常高的控制效果。针对这一问题，研究人员把注意力不断转移到主动控制方式，很好的弥补了控制效果差的不足。主动控制措施将控制系统的输出量与结构反应联系起来，提供了一个具有信息反馈特点的闭合系统，能够随着响应不断改变输出量，进而起到大幅度提高控制效果的目的，十分有效地解决外界激励下的结构振动问题，因此得到了工程上的广泛应用。同时主动控制方法也作为结构振动控制热点问题研究至今并不断发展。

目前已有的桥梁振动主动抑制措施并没有专门针对多阶涡振的有效措施，例如授权公告号为CN105388926B，名称为一种大跨度桥梁钢箱梁涡振控制的吹气方法的发明专利，公开了采用吹气方法进行涡振抑制的技术手段，但并未对吹气装置的分布位置进行限定，采用该方法进行多阶涡振抑制，抑制效果不佳；同时，吹气装置的设置会影响桥梁断面形式，改变桥梁的气动特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于主动吸气的大跨度桥梁多阶涡振智能控制系统及方法，以解决多阶涡振抑制效果不佳，以及影响桥梁断面特性等问题。

本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个或多个。