一種用于橋梁渦激振動控制的抑振板的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于橋梁渦激振動控制的抑振板，屬于橋梁【技術領域】。本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，包括下立柱和上立柱，在橋體的邊梁上沿橋向均布有若干呈弧形的下立柱，每個下立柱上均固定有上立柱，任意兩相鄰的下立柱之間安裝有圓管和鋼條形成檢修道欄桿；任意兩相鄰的上立柱之間安裝有多排半橢圓形的鋼障條。本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，克服了直接在橋面設置風障對風阻系數的不利影響，能有效抑制主梁正攻角條件下的渦激共振現象。
【專利說明】一種用于橋梁渦激振動控制的抑振板
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及橋梁【技術領域】，特別是一種用于控制橋梁渦激振動的抑振板。
【背景技術】
[0002]橋梁主梁的渦激振動屬于受迫振動，其機理為:當主梁上有風作用時，主梁的兩側及尾流中將產生周期性脫落的漩渦，并由一側然后向另一側交替脫落，周期性脫落的漩渦會使主梁表面的空氣壓力呈周期性的變化，其結果是使主梁梁體上產生周期性變化的力，當這種渦激力的周期與橋梁的某階振動頻率接近時，主梁就會發(fā)生周期性的受迫振動。大跨度橋梁結構較柔性、自重輕、阻尼小等特點，在較低的風速下即可發(fā)生渦激振動，渦激振動帶有自激和自限雙重性質。雖然渦振不會像馳振、顫振那樣發(fā)散振動從而帶來很大的風荷載使結構產生毀滅性的破壞，但當渦脫頻率接近橋梁的固有頻率時，會激發(fā)出較大的振幅，形成渦激共振，有可能造成結構的疲勞破壞，并影響橋面行車的舒適性。
[0003]根據分體式箱梁的流場分布和變化特性，嘉紹大橋主梁發(fā)生渦激振動的原因如下:漩渦產生于開槽區(qū)域的靜風空間內，在來流的影響下在背風側梁段形成周期性的脫落，產生較大的渦激力引起橋梁的渦激共振，如圖1所示。由《公路橋梁抗風設計規(guī)范》，成橋狀態(tài)潤激振動的振幅容許值為:
[0004]豎向[ha]=0.04/fh=0.04/0.269=0.149m=149mm
[0005]上述振幅容許值除以石得到均方根(即RMS)振幅容許值:
[0006]豎向[ha]=105mm。
[0007]由圖1可見，嘉紹大橋分體鋼箱梁渦激振動振幅均超過規(guī)范要求值105_。較大振幅的渦激振動將影響橋面行車的舒適性和安全性，并影響橋梁的使用壽命，因此渦激振動需要在設計時及時發(fā)現并采取有效措施予以避免。
[0008]通常分體箱梁渦振控制措施有兩種手段:
[0009]I)央開槽區(qū)氣動措施，減弱開槽區(qū)域的漩渦強度，從源頭上防止大能量漩渦的形成。具體采用的措施有梁底設置導流板、中央開槽半封閉、和中央開槽擾流措施，如圖2、圖3和圖4。
[0010]風洞試驗結果表明，氣流通過導流板后將形成速度較高的射流，有利于沖擊中央開槽側的主漩渦，并將主漩渦分離為幾個能量較小的漩渦，從而使主漩渦尺寸減小能量減弱，渦激力也隨之減弱。導流板在正攻角下的制振效率隨導流板距離梁底的距離近似成正比關系，且離開梁底的距離在0.9m時制振效果最好。然而到導流板距離梁底0.9m時，將和檢修車發(fā)生沖突，因此在構造上無法實現。其他中央開槽區(qū)域設置其它氣動裝置(如圖3和圖4所示)制振效果不明顯，且對主梁自身氣動參數影響也較大，且實際中實現的難度也較大；
[0011]2)減弱或屏蔽橋面來流，防止中央開槽區(qū)域的大能量漩渦向下游脫落，使其在中央開槽區(qū)域內部消耗能量，減弱其周期性作用力；主要采用橋面風障的方式，通過加高橋面兩側的靜風區(qū)高度，可防止橋面來流匯入到中央開槽區(qū)域的漩渦中增加其強度，以減弱大能量漩渦對下風側主梁產生的渦激力。
實用新型內容
[0012]本實用新型的發(fā)明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種用于橋梁渦激振動控制的抑振板，克服了直接在橋面設置風障對風阻系數的不利影響，能有效抑制主梁正攻角條件下的渦激共振現象，其高度較小，透風率較大，主要功能是用于控制渦振，功能不同于傳統(tǒng)風障；且隨著結構阻尼比的增加至0.46%水平時，渦振振幅可進一步減小，在規(guī)范要求的阻尼比下，結構發(fā)生了微弱的渦振現象，渦振振幅遠低于規(guī)范允許值，基本消除了渦激共振現象。
[0013]本實用新型采用的技術方案如下:
[0014]本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，包括下立柱和上立柱，在橋體的邊梁上沿橋向均布有若干呈弧形的下立柱，每個下立柱上均固定有上立柱，任意兩相鄰的下立柱之間安裝有圓管和鋼條形成檢修道欄桿；任意兩相鄰的上立柱之間安裝有多排半橢圓形的鋼障條。
[0015]由于采用了上述結構，抑振板由上下兩部分組成，下部分為弧形的下立柱，下立柱之間安裝圓管及鋼條形成檢修道欄桿，便于任意對橋梁上其它設備的檢修；上半部分為T形截面的上立柱，T形截面的上立柱之間安裝半橢圓形的鋼障條；立柱上下兩部分之間用高強螺栓進行連接，整個抑振板采用缸結構，通過重防腐進行涂裝保護，全部構件與橋梁同壽命，免更換，養(yǎng)護維修方便。在橋體的兩邊梁上安設抑振板，通過加高橋面兩側的靜風區(qū)高度，可防止橋面來流匯入到中央開槽區(qū)域的漩渦中增加其強度，以減弱大能量漩渦對下風側主梁產生的渦激力。抑振板對正攻角的渦振控制效果顯著(消除了正攻角下的渦振)，其原因為正攻角條件下，抑制板對氣流的屏蔽高度增加，橋面靜風區(qū)增大，有更大的空間使中央開槽處的漩渦耗散能量。使得該抑振板實現三功能一體:I)欄桿功能，安裝在橋梁檢修道區(qū)域，具有檢修道欄桿功能；2)小型風障功能，立柱與障條形成阻風構造，對橋梁小型車輛起到風障的作用，但是區(qū)別于常規(guī)的橋梁風障，由于構造高度小于常規(guī)風障，障條數量和間距小，對橋梁形成的風阻力小，橋梁抗風安全系數高；3)抗渦振功能。破壞橋面至離抑振板高度范圍的平穩(wěn)氣流，對于主梁左右分幅的橋梁，可避免橋面氣流和左右幅梁體之間上升的氣流交匯形成的渦激力，從而提高橋梁的整體抗渦振性能。
[0016]本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，任意兩相鄰的上立柱間布置有三排相互平行的鋼障條；所述鋼障條的半橢圓形凹面朝向橋體內側。
[0017]由于采用了上述結構，鋼障條設置過多或者過少，都會在一定程度上影響通風率的大小，由于該抑振板的設置需控制透風率為50%以下，才能有效地抑制渦激振動；半橢圓形的鋼障條，一方面起到風屏作用，另外一方面可有效地控制通風率以及對渦激的干擾，半橢圓形凹面朝向橋體內側，使風流經過該抑振板后，可回旋進入半橢圓形凹面內，從而對風流起到擾流作用，可有效地避免在橋面上形成漩渦。
[0018]本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，所述上立柱的頂部距離橋體的橋面高度為2.8m-3.0m，任意兩相鄰的下立柱間或者兩相鄰的上立柱間的間隔為2000mm，且任意相鄰的兩排鋼障條間的間隔為370mm。
[0019]由于采用了上述結構，設置抑振板在負攻角條件下會出現渦激振動，其原因為負攻角下實質上是減小了抑制板對氣流的屏蔽高度，使得一定能量的漩渦仍可脫落到下風側主梁表面。另外，通過試驗發(fā)現，抑振板的高度和透風率對抑制渦振影響較大，研究中考慮了多種抑制板措施，試驗結果表明，透風率在50%以下，風障高度在3m左右，可有效抑制渦激振動。但較高的風障和較小的透風率將顯著增加主梁的風阻系數，使得基礎尺寸增加。因此，通過反復試驗，最后選擇在工程中選用2.9m的高度(計入以下檢修道欄桿的高度，且可控制在2.8m-3.0m內)，透風率為50%的抑振板，實際阻風區(qū)域在2m_2.9m范圍，主梁的風阻系數為1.6 (不加抑振板時為1.3);立柱間的間隔和鋼障條間的間隔均為實現對透風率的控制，只有像本實用新型中設置的具體尺寸，才能確保整個抑振板的透風率為50%，確保有效抑制潤激振動。
[0020]本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，所述橋體的阻尼比為0.46%，整個抑振板的通風率為50%。
[0021]由于采用了上述結構，控制整個抑振板的透風率為50%的抑振板，能有效抑制主梁正攻角條件下的渦激共振現象；大尺度節(jié)段模型渦激振動風洞試驗表明，當阻尼比由
0.3%增加到0.38%時，主梁的渦振振幅RMS值進一步降低為46mm ;當阻尼比增加到0.46%水平時(規(guī)范要求為0.5%)可基本消除渦激共振現象。
[0022]本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，所述下立柱的弧形凹面朝向橋體內側，所述上立柱與橋面的垂直方向的傾斜夾角為a，其中該傾斜夾角的正切函數為tana=1:5ο
[0023]由于采用了上述結構，使整個抑振板的下部向外凸，上部向內傾斜，且該抑振板的通風率為50%，使未被通過的風流則沿上立柱傾斜的角度流動至橋面上方，由于風流被分散且嚴格控制了該抑振板的傾斜角度(傾斜夾角的正切函數為tan a=l:5)，可有效地避免在橋面上方形成漩渦，從而可有效地實現對渦振的控制。
[0024]本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，所述下立柱的截面為“工”字形結構，所述上立柱的截面為“T”字形結構，所述上立柱通過螺栓連接于下立柱上。
[0025]由于采用了上述結構，為了確保整個抑振板的結構更加的穩(wěn)靠，避免在臺風中被摧毀，設計其下立柱的截面為“工”字形結構，可用于穿過鋼管形成檢修道欄桿，確保檢修人員安全；而上立柱上由于要安裝鋼障條，因此將其設置為“T”字形結構，便于鋼障條的兩端通過螺栓連接于上立柱上；上立柱與下立柱之間通過高強度螺栓連接，便于檢修更換。
[0026]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是:
[0027]1、本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，克服了直接在橋面設置風障對風阻系數的不利影響，能有效抑制主梁正攻角條件下的渦激共振現象，其高度較小，透風率較大，主要功能是用于控制渦振，功能不同于傳統(tǒng)風障；
[0028]2、本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，隨著結構阻尼比的增加至
0.46%水平時，渦振振幅可進一步減小，在規(guī)范要求的阻尼比下，結構發(fā)生了微弱的渦振現象，渦振振幅遠低于規(guī)范允許值，基本消除了渦激共振現象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是嘉紹大橋主梁漩渦脫落示意圖(原始斷面)；
[0030]圖2是梁底導流板不意圖(距梁底0.9m)；[0031]圖3是中央開槽半封閉措施示意圖；
[0032]圖4是中央開槽擾流措施示意圖；
[0033]圖5是本實用新型的抑振板的結構示意圖；
[0034]圖6是圖5中A-A的剖視圖。
[0035]圖中標記:1-橋體、2-下立柱、3-上立柱、4-鋼條、5-鋼障條、6-圓管、7_螺栓?！揪唧w實施方式】
[0036]下面結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。
[0037]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0038]如圖5和圖6所示，本實用新型的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，包括下立柱2和上立柱3，在橋體I的邊梁上沿橋向均布有若干呈弧形的下立柱2，所述下立柱2的截面為“工”字形結構，每個下立柱2上均固定有上立柱3，所述上立柱3的截面為“T”字形結構，所述上立柱3通過螺栓7連接于下立柱2上，所述橋體I的阻尼比為0.46% ;其中任意兩相鄰的下立柱2間或者兩相鄰的上立柱3間的間隔為2000mm ;任意兩相鄰的下立柱2之間安裝有圓管6和鋼條4形成檢修道欄桿；任意兩相鄰的上立柱3之間安裝有三排相互平行的半橢圓形的鋼障條5，所述鋼障條5的半橢圓形凹面朝向橋體I內側，其中任意相鄰的兩排鋼障條5間的間隔為370mm，使得整個抑振板的通風率為50%。所述下立柱2的弧形凹面朝向橋體I內側，所述上立柱3與橋面的垂直方向的傾斜夾角為a，其中該傾斜夾角的正切函數為tan a=l:5。
[0039]本實用新型的抑振板由上下兩部分組成，下部分為弧形的下立柱，下立柱之間安裝圓管及鋼條形成檢修道欄桿，便于任意對橋梁上其它設備的檢修；上半部分為T形截面的上立柱，T形截面的上立柱之間安裝半橢圓形的鋼障條；立柱上下兩部分之間用高強螺栓進行連接，整個抑振板采用缸結構，通過重防腐進行涂裝保護，全部構件與橋梁同壽命，免更換，養(yǎng)護維修方便。在橋體的兩邊梁上安設抑振板，通過加高橋面兩側的靜風區(qū)高度，可防止橋面來流匯入到中央開槽區(qū)域的漩渦中增加其強度，以減弱大能量漩渦對下風側主梁產生的渦激力。抑振板對正攻角的渦振控制效果顯著(消除了正攻角下的渦振)，其原因為正攻角條件下，抑制板對氣流的屏蔽高度增加，橋面靜風區(qū)增大，有更大的空間使中央開槽處的漩渦耗散能量。使得該抑振板實現三功能一體:I)欄桿功能，安裝在橋梁檢修道區(qū)域，具有檢修道欄桿功能；2)小型風障功能，立柱與障條形成阻風構造，對橋梁小型車輛起到風障的作用，但是區(qū)別于常規(guī)的橋梁風障，由于構造高度小于常規(guī)風障，障條數量和間距小，對橋梁形成的風阻力小，橋梁抗風安全系數高；3)抗渦振功能。破壞橋面至離抑振板高度范圍的平穩(wěn)氣流，對于主梁左右分幅的橋梁，可避免橋面氣流和左右幅梁體之間上升的氣流交匯形成的渦激力，從而提高橋梁的整體抗渦振性能。
[0040]對減弱或屏蔽橋面來流，防止中央開槽區(qū)域的大能量漩渦向下游脫落，使其在中央開槽區(qū)域內部消耗能量，減弱其周期性作用力；本實用新型主要采用橋面抑振板的方式，通過加高橋面兩側的靜風區(qū)高度，可防止橋面來流匯入到中央開槽區(qū)域的漩渦中增加其強度，以減弱大能量漩渦對下風側主梁產生的渦激力。[0041]試驗研究表明，抑振板對正攻角的渦振控制效果顯著(消除了正攻角下的渦振)，其原因為正攻角條件下，抑制板對氣流的屏蔽高度增加，橋面靜風區(qū)增大，有更大的空間使中央開槽處的漩渦耗散能量。但在負攻角條件下會出現渦激振動，其原因為負攻角下實質上是減小了抑制板對氣流的屏蔽高度，使得一定能量的漩渦仍可脫落到下風側主梁表面。另外，通過試驗發(fā)現，抑振板的高度和透風率對抑制渦振影響較大，研究中考慮了多種抑制板措施，試驗結果表明，透風率在50%以下，風障高度在3m左右，可有效抑制渦激振動。但較高的風障和較小的透風率將顯著增加主梁的風阻系數，使得基礎尺寸增加。因此，通過反復試驗，最后建議在工程中選用2.9m的高度(計入以下檢修道欄桿的高度)，透風率為50%的抑振板，實際阻風區(qū)域在2m-2.9m范圍，主梁的風阻系數為1.6 (不加抑振板時為1.3)。
[0042]在僅有橋面抑振板的條件下，將結構阻尼比由0.25%增加到0.3%進行試驗，同時與沒有安裝抑振板的工況進行對比。試驗結果表明，在相同的阻尼比條件下(小于規(guī)范要求阻尼比)，未裝配抑振板條件下，主梁渦振振幅RMS值達到了 135mm，超過規(guī)范要求的105mm，而且在0°和±3°三種風攻角條件下均超過限值；加裝抑振后，除了 0°風攻角條件下的RMS振幅達到70mm, -3°攻角下的RMS振幅達到50mm外,其余攻角下未觀察到明顯的潤激共振現象。與未裝抑振板的結果相比，加裝后渦振振幅對于0°攻角降低了 50%，而對于其他攻角降低的幅度更大，并且不同攻角下的渦振振幅也滿足規(guī)范要求。針對只安裝抑振板，沒有導流板的工況，采用增加結構阻尼比的方式繼續(xù)進行試驗。試驗的阻尼比分別提高到
0.38%和0.46%，后者與《公路橋梁抗風設計規(guī)范》要求的0.5%阻尼比接近，前者顯著低于規(guī)范要求。因此由試驗結果表明:隨著結構阻尼比的增加，渦振振幅逐漸減小。在規(guī)范要求的阻尼比下，結構發(fā)生了微弱的渦振現象，渦振振幅遠低于規(guī)范允許值。
[0043]在試驗的阻尼比為0.46%水平時，分別對±5°、土3°、0°攻角進行了試驗。根據一系列的風洞試驗結果，最終抑制板距離橋面高度2.9m，透風率50%，在規(guī)范要求的阻尼比下，不同攻角下的渦振現象得以消除。
[0044]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于橋梁渦激振動控制的抑振板，其特征在于:它包括下立柱(2)和上立柱(3)，在橋體(I)的邊梁上沿橋向均布有若干呈弧形的下立柱(2)，每個下立柱(2)上均固定有上立柱(3)，任意兩相鄰的下立柱(2)之間安裝有圓管(6)和鋼條(4)形成檢修道欄桿；任意兩相鄰的上立柱(3)之間安裝有多排半橢圓形的鋼障條(5)。
2.如權利要求1所述的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，其特征在于:任意兩相鄰的上立柱(3)間布置有三排相互平行的鋼障條(5);所述鋼障條(5)的半橢圓形凹面朝向橋體(O內側。
3.如權利要求2所述的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，其特征在于:所述上立柱(3)的頂部距離橋體(I)的橋面高度為2.8m-3.0m，任意兩相鄰的下立柱(2)間或者兩相鄰的上立柱(3)間的間隔為2000mm，且任意相鄰的兩排鋼障條(5)間的間隔為370mm。
4.如權利要求1或2或3所述的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，其特征在于:所述橋體(I)的阻尼比為0.46%，整個抑振板的通風率為50%。
5.如權利要求2或3所述的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，其特征在于:所述下立柱(2)的弧形凹面朝向橋體(I)內側，所述上立柱(3)與橋面的垂直方向的傾斜夾角為a，其中該傾斜夾角的正切函數為tan a=l:5。
6.如權利要求1或2或3所述的用于橋梁渦激振動控制的抑振板，其特征在于:所述下立柱(2)的截面為“工”字形結構，所述上立柱(3)的截面為“T”字形結構，所述上立柱(3)通過螺栓(7 )連接于下立柱(2 )上。
【文檔編號】E01D19/00GK203625766SQ201320828934
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權日:2013年12月16日
【發(fā)明者】張喜剛, 王仁貴, 林道錦, 廖海黎, 王騎, 孟凡超, 吳偉勝, 王梓夫, 袁洪 申請人:中交公路規(guī)劃設計院有限公司