本發(fā)明涉及橋梁抗風技術領域，具體是涉及一種新型的橋梁渦激共振控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

隨著橋梁設計理論和施工水平的不斷提高，現(xiàn)代橋梁的跨度記錄不斷被刷新，設計和建造更大跨度橋梁的熱潮正在世界各地展開。橋梁跨度的大幅度增長，帶來的主要問題是橋梁剛度的急劇下降，結(jié)構更加纖細輕柔，自振頻率更低。這就使得結(jié)構對風的作用更加敏感，風致振動對橋梁的安全性能和使用性能的影響更加突出，因此尋找有效橋梁風振控制方法具有重要的意義。

在各種風致振動問題中，渦激振動是大跨度橋梁在低風速下很容易出現(xiàn)的一種振動形式。橋梁跨徑的不斷突破，造成結(jié)構豎彎和扭轉(zhuǎn)頻率的顯著降低；鋼構件的廣泛應用，使得橋梁結(jié)構的阻尼不斷減小，這些因素都加劇了渦激振動發(fā)生的可能性。另一方面，用于提高抗風穩(wěn)定性所采取的一些氣動控制措施會影響橋梁斷面的流線型，在常見低風速下容易誘發(fā)結(jié)構的大幅渦激振動。研究發(fā)現(xiàn)目前大跨橋梁通常采用的中央開槽斷面在有效的提高橋梁顫振穩(wěn)定性的同時卻惡化了原有斷面的渦振性能。在已建成的大跨度橋梁中，如我國的西堠門大橋、丹麥的greatbelt東引橋等都出現(xiàn)過大幅的渦激振動。1998年丹麥大海帶東橋建成時主梁斷面大幅渦振現(xiàn)象超出了前期試驗研究預期；巴西的rio-niteroibridge在14m/s左右的風速下發(fā)生強烈的豎彎渦振而被關閉。更嚴重的是主梁的小幅渦振有時會激發(fā)出超長纜索的參數(shù)共振，在主跨1088m的蘇通大橋的抗風研究中發(fā)現(xiàn)，主梁渦激振動激發(fā)出的斜拉索振動的振幅可能達到1m以上，這對橋梁的安全構成新的威脅。

橋梁局部構件的渦激振動也同樣不容忽視，1973年3月美國的commodorebarry懸臂桁架橋的h型豎桿和斜腹桿在工程尚未竣工就由于發(fā)生嚴重的渦激振動而產(chǎn)生疲勞斷裂。我國九江長江大橋的h型吊桿在8m/s的風速下發(fā)生了多次渦激振動。

渦振雖然不會像顫振一樣導致橋梁災難性破壞，但是其發(fā)生的風速低，頻率高，會造成構件的強度破壞或疲勞損傷，影響橋梁結(jié)構的安全性能和使用性能，隨著橋梁跨度的不斷增長，可以預期橋梁的渦激振動將會越來越受到重視，并將成為一種必須加以控制的主要自激振動形式。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：提供一種新型的橋梁渦激共振控制方法，可以有效的抑制橋梁的渦激共振，避免橋梁構件的強度破壞或疲勞損傷。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種新型的橋梁渦激共振控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)組擾流裝置、風機、傳感器，所述擾流裝置安裝在主梁的兩個側(cè)邊，所述風機安裝在所述擾流裝置上，每一組擾流裝置是單獨的個體，可以根據(jù)主梁的長度及風荷載的作用情況，在主梁的側(cè)邊安裝多組擾流裝置，每組擾流裝置上安裝2-4個風機，所述風機連接至風機控制器，傳感器安裝在主梁兩個側(cè)邊的正中間位置；所述擾流裝置包括殼體、安裝板、進風區(qū)、出風區(qū)、數(shù)個緩沖板、數(shù)個彈簧。所述殼體固定在所述安裝板的一側(cè)表面上，所述進風區(qū)設置在所述殼體的下部，所述出風區(qū)設置在所述殼體的上部，所述進風區(qū)的端面與所述安裝板之間存在夾角，所述出風區(qū)的端面與所述安裝板之間存在夾角；緩沖板的下端鉸接在安裝板上，彈簧一端固定在安裝板上，另一端與緩沖板的上端鉸接在一起，每一個緩沖板通過1-5個彈簧與安裝板之間形成固定夾角；所述緩沖板在所述安裝板上呈矩陣式排列。

一種新型的橋梁渦激共振控制方法，在主梁上安裝數(shù)組擾流裝置和風機，通過傳感器傳遞主梁周圍的風場信息，并對風機進行控制，以改變主梁周圍風的流向及風速，減輕風對主梁的作用力，改變主梁周圍風場中的旋渦脫落頻率，使之遠離橋梁的固有頻率，防止主梁出現(xiàn)渦激共振；所述擾流裝置安裝在主梁的兩個側(cè)邊，所述風機安裝在所述擾流裝置上，每一組擾流裝置是單獨的個體，可以根據(jù)主梁的長度及風荷載的作用情況，在主梁的側(cè)邊安裝多組擾流裝置，每組擾流裝置上安裝2-4個風機，所述風機連接至風機控制器，傳感器安裝在主梁兩個側(cè)邊的正中間位置；所述擾流裝置包括殼體、安裝板、進風區(qū)、出風區(qū)、數(shù)個緩沖板、數(shù)個彈簧。所述殼體固定在所述安裝板的一側(cè)表面上，所述進風區(qū)設置在所述殼體的下部，所述出風區(qū)設置在所述殼體的上部，所述進風區(qū)的端面與所述安裝板之間存在夾角，所述出風區(qū)的端面與所述安裝板之間存在夾角；緩沖板的下端鉸接在安裝板上，彈簧一端固定在安裝板上，另一端與緩沖板的上端鉸接在一起，每一個緩沖板通過1-5個彈簧與安裝板之間形成固定夾角；所述緩沖板在所述安裝板上呈矩陣式排列。所述擾流裝置將風引入進風區(qū)后，通過數(shù)個緩沖板對風進行緩沖并改變其方向，再讓其從出風區(qū)流出，改變主梁周圍的風場特征。

進一步地，傳感器將主梁周圍的風速和風向信息傳遞給風機控制器，并對風機進行控制。

控制方法為：采用傳感器記錄橋梁斷面在周圍風場作用下的振動信號，通過信號分析，獲得振動信號的方差突然增大時的風速v1，以及振動信號出現(xiàn)極大值時的風速v2；當傳感器檢測到風速超過v1時，風機控制器將啟動風機，利用電力開始抽風，風通過擾流裝置之后風向會發(fā)生改變，再通過風機的作用將會使水平方向上的風力大大減小，也就是相當于減小了相對于橋梁的水平方向上的風速；當傳感器檢測到風速超過v2時，風機控制器將調(diào)高風機的功率，加快抽風；控制相對于橋梁的水平方向上的風速，也就能夠改變主梁周圍風場中的旋渦脫落頻率，使之遠離橋梁的固有頻率，從而防止橋梁出現(xiàn)渦激共振。

進一步地，所述風機、傳感器、風機控制器均由供電裝置供電，所述供電裝置安裝在橋梁靠近端部的側(cè)底面。

優(yōu)選地，所述進風區(qū)的端面與所述安裝板之間的夾角為28～40°。

優(yōu)選地，所述出風區(qū)的端面與所述安裝板之間的夾角為45～65°。

進一步地，所述緩沖板與安裝板之間的夾角大小與進風區(qū)的端面與安裝板之間的夾角大小保持一致，所述彈簧與安裝板之間的夾角大小與出風區(qū)的端面與安裝板之間的夾角大小保持一致。

進一步地，所述安裝板上的四周設有通孔，通過螺栓緊固件將安裝板安裝在主梁側(cè)邊上，根據(jù)情況來確定安裝數(shù)量，而且安裝和拆卸比較方便。

本發(fā)明的有益效果是：通過擾流的方法法來改變主梁周圍的流場，減小風對橋梁產(chǎn)生的作用力，利用傳感器將主梁周圍的風速和風向信息傳遞給風機控制器，并對風機進行控制，再通過風機控制風速，改變主梁周圍風場中的旋渦脫落頻率，使之遠離橋梁的固有頻率，從而防止橋梁出現(xiàn)渦激共振。本發(fā)明所采用的擾流裝置結(jié)構簡單，安裝方便，可以大量安裝在主梁的側(cè)邊，其本身質(zhì)量較輕，不會加重橋梁的負擔，而且擾流效果好，改變主梁周圍流場特征，減小風對橋梁的作用力，有效的抑制橋梁渦激共振的發(fā)生，增強橋梁風致振動的穩(wěn)定性和安全性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明擾流裝置在橋梁上的安裝結(jié)構示意圖；

圖2是主梁的橫斷面示意圖；

圖3是擾流裝置的內(nèi)部構造示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例2中擾流裝置的主視圖；

其中，1-擾流裝置、1a-殼體、2-安裝板、3-進風區(qū)、4-出風區(qū)、5-緩沖板、6-彈簧、7-通孔、8-螺栓緊固件、9-風機、10-傳感器、11-主梁、12-供電裝置。

具體實施方式

實施例1：

一種新型的橋梁渦激共振控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)組擾流裝置1、風機9、傳感器10，擾流裝置1安裝在主梁11的兩個側(cè)邊，風機9安裝在擾流裝置1上，每一組擾流裝置是單獨的個體，可以根據(jù)主梁的長度及風荷載作用情況在主梁的側(cè)邊安裝多組擾流裝置，每組擾流裝置1上安裝2個風機9，風機9連接至風機控制器(圖中未示出)，傳感器10安裝在主梁11兩個側(cè)邊的正中間位置，風機9、傳感器10、風機控制器均由供電裝置12供電，供電裝置12安裝在主梁11靠近端部的側(cè)底面。

擾流裝置包括殼體1a、安裝板2、進風區(qū)3、出風區(qū)4、數(shù)個緩沖板5、數(shù)個彈簧6，殼體1固定在所述安裝板2的一側(cè)表面上，進風區(qū)3設置在殼體1的下部，出風區(qū)4設置在殼體1的上部，進風區(qū)3的端面與安裝板2之間存在夾角，出風區(qū)4的端面與安裝板2之間存在夾角；進風區(qū)3的端面與安裝板2之間的夾角為28°，出風區(qū)4的端面與安裝板2之間的夾角為458°；緩沖板5的下端鉸接在安裝板2上，彈簧6一端固定在安裝板2上，另一端與緩沖板5的上端鉸接在一起，每一個緩沖板5通過1個彈簧6與安裝板2之間形成固定夾角；緩沖板5在所述安裝板2上呈矩陣式排列；緩沖板5與安裝板2之間的夾角大小與進風區(qū)3的端面與安裝板2之間的夾角大小保持一致，彈簧6與安裝板2之間的夾角大小與出風區(qū)4的端面與安裝板2之間的夾角大小保持一致；安裝板2上的四周設有通孔7，通過螺栓緊固件8將安裝板2安裝在橋梁側(cè)邊上，根據(jù)情況來確定安裝數(shù)量，而且安裝和拆卸比較方便。

利用上述控制系統(tǒng)進行橋梁渦激共振控制的方法為：在主梁11上安裝數(shù)組擾流裝置1和風機9，通過傳感器10傳遞風速信息，傳感器10將主梁周圍的風速和風向信息傳遞給風機控制器，并對風機9進行控制；控制方法為：采用傳感器記錄橋梁斷面在周圍風場作用下的振動信號，通過信號分析，獲得振動信號的方差突然增大時的風速v1，以及振動信號出現(xiàn)極大值時的風速v2；當傳感器10檢測到風速超過v1時，風機控制器將啟動風機9，利用電力開始抽風，風通過擾流裝置1之后風向會發(fā)生改變，再通過風機9的作用將會使水平方向上的風力大大減小，也就是相當于減小了相對于橋梁的水平方向上的風速；當傳感器10檢測到風速超過v2時，風機控制器將調(diào)高風機9的功率，加快抽風；擾流裝置1將風引入進風區(qū)3后，通過緩沖板5對風進行緩沖并改變其方向，再讓其從出風區(qū)4流出，以改變主梁周圍的風場特征，控制相對于橋梁的水平方向上的風速，減輕風對主梁11產(chǎn)生的作用力，控制主梁周圍流場中旋渦的脫落頻率，使之遠離橋梁11的固有頻率，從而防止主梁11出現(xiàn)渦激共振。

實施例2：

一種新型的橋梁渦激共振控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)組擾流裝置1、風機9、傳感器10，擾流裝置1安裝在主梁11的兩個側(cè)邊，風機9安裝在擾流裝置1上，每一組擾流裝置是單獨的個體，可以根據(jù)橋梁的長度及風荷載作用情況在主梁的側(cè)邊安裝多組擾流裝置，每組擾流裝置1上安裝3個風機9，風機9連接至風機控制器(圖中未示出)，傳感器10安裝在主梁11兩個側(cè)邊的正中間位置，風機9、傳感器10、風機控制器均由供電裝置12供電，供電裝置12安裝在主梁11靠近端部的側(cè)底面。

擾流裝置包括殼體1a、安裝板2、進風區(qū)3、出風區(qū)4、數(shù)個緩沖板5、數(shù)個彈簧6，殼體1固定在安裝板2的一側(cè)表面上，進風區(qū)3設置在殼體1的下部，出風區(qū)4設置在殼體1的上部，進風區(qū)3的端面與所述安裝板2之間存在夾角，出風區(qū)4的端面與安裝板2之間存在夾角；進風區(qū)3的端面與安裝板2之間的夾角為34°，出風區(qū)4的端面與安裝板2之間的夾角為55°；擾流裝置1是將風引入進風區(qū)3后，通過緩沖板5對風進行緩沖并改變其方向，再讓其從出風區(qū)4流出，減小風對主梁11的作用力；緩沖板5的下端鉸接在安裝板2上，彈簧6一端固定在安裝板2上，另一端與緩沖板5的上端鉸接在一起，每一個緩沖板5通過3個彈簧6與安裝板2之間形成固定夾角；緩沖板5在所述安裝板2上呈矩陣式排列；緩沖板5與安裝板2之間的夾角大小與進風區(qū)3的端面與安裝板2之間的夾角大小保持一致，所述彈簧6與安裝板2之間的夾角大小與出風區(qū)4的端面與安裝板2之間的夾角大小保持一致；安裝板2上的四周設有通孔7，通過螺栓緊固件8將安裝板2安裝在橋梁側(cè)邊上，根據(jù)情況來確定安裝數(shù)量，而且安裝和拆卸比較方便。

利用上述控制系統(tǒng)進行橋梁渦激共振控制的方法為：在主梁11上安裝數(shù)組擾流裝置1和風機9，通過傳感器10傳遞風速信息，傳感器10將主梁周圍的風速和風向信息傳遞給風機控制器，并對風機9進行控制；控制方法為：采用傳感器記錄橋梁斷面在周圍風場作用下的振動信號，通過信號分析，獲得振動信號的方差突然增大時的風速v1，以及振動信號出現(xiàn)極大值時的風速v2；當傳感器10檢測到風速超過v1時，風機控制器將啟動風機9，利用電力開始抽風，風通過擾流裝置1之后風向會發(fā)生改變，再通過風機9的作用將會使水平方向上的風力大大減小，也就是相當于減小了相對于橋梁的水平方向上的風速；當傳感器10檢測到風速超過v2時，風機控制器將調(diào)高風機9的功率，加快抽風；擾流裝置1將風引入進風區(qū)3后，通過緩沖板5對風進行緩沖并改變其方向，再讓其從出風區(qū)4流出，以改變主梁周圍的風場特征，控制相對于橋梁的水平方向上的風速，減輕風對主梁11產(chǎn)生的作用力，控制主梁周圍流場中旋渦的脫落頻率，使之遠離橋梁11的固有頻率，從而防止主梁11出現(xiàn)渦激共振。

實施例3：

一種新型的橋梁渦激共振控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)組擾流裝置1、風機9、傳感器10，擾流裝置1安裝在主梁11的兩個側(cè)邊，風機9安裝在擾流裝置1上，每一組擾流裝置是單獨的個體，可以根據(jù)橋梁的長度及風荷載作用情況在主梁的側(cè)邊安裝多組擾流裝置，每組擾流裝置1上安裝4個風機9，風機9連接至風機控制器(圖中未示出)，傳感器10安裝在主梁11兩個側(cè)邊的正中間位置，風機9、傳感器10、風機控制器均由供電裝置12供電，供電裝置12安裝在主梁11靠近端部的側(cè)底面。

擾流裝置包括殼體1a、安裝板2、進風區(qū)3、出風區(qū)4、數(shù)個緩沖板5、數(shù)個彈簧6，殼體1固定在安裝板2的一側(cè)表面上，進風區(qū)3設置在所述殼體1的下部，出風區(qū)4設置在殼體1的上部，進風區(qū)3的端面與安裝板2之間存在夾角，出風區(qū)4的端面與安裝板2之間存在夾角；進風區(qū)3的端面與安裝板2之間的夾角為40°，出風區(qū)4的端面與安裝板2之間的夾角為65°；擾流裝置1是將風引入進風區(qū)3后，通過緩沖板5對風進行緩沖并改變其方向，再讓其從出風區(qū)4流出，避免風對橋梁11的正面沖擊；緩沖板5的下端鉸接在安裝板2上，彈簧6一端固定在安裝板2上，另一端與緩沖板5的上端鉸接在一起，每一個緩沖板5通過5個彈簧6與安裝板2之間形成固定夾角；緩沖板5在所述安裝板2上呈矩陣式排列；緩沖板5與安裝板2之間的夾角大小與進風區(qū)3的端面與安裝板2之間的夾角大小保持一致，彈簧6與安裝板2之間的夾角大小與出風區(qū)4的端面與安裝板2之間的夾角大小保持一致；安裝板2上的四周設有通孔7，通過螺栓緊固件8將安裝板2安裝在橋梁側(cè)邊上，根據(jù)情況來確定安裝數(shù)量，而且安裝和拆卸比較方便。

利用上述控制系統(tǒng)進行橋梁渦激共振控制的方法為：在主梁11上安裝數(shù)組擾流裝置1和風機9，通過傳感器10傳遞風速信息，傳感器10將主梁周圍的風速和風向信息傳遞給風機控制器，并對風機9進行控制；控制方法為：采用傳感器記錄橋梁斷面在周圍風場作用下的振動信號，通過信號分析，獲得振動信號的方差突然增大時的風速v1，以及振動信號出現(xiàn)極大值時的風速v2；當傳感器10檢測到風速超過v1時，風機控制器將啟動風機9，利用電力開始抽風，風通過擾流裝置1之后風向會發(fā)生改變，再通過風機9的作用將會使水平方向上的風力大大減小，也就是相當于減小了相對于橋梁的水平方向上的風速；當傳感器10檢測到風速超過v2時，風機控制器將調(diào)高風機9的功率，加快抽風；擾流裝置1將風引入進風區(qū)3后，通過緩沖板5對風進行緩沖并改變其方向，再讓其從出風區(qū)4流出，以改變主梁周圍的風場特征，控制相對于橋梁的水平方向上的風速，減輕風對主梁11產(chǎn)生的作用力，控制主梁周圍流場中旋渦的脫落頻率，使之遠離橋梁11的固有頻率，從而防止主梁11出現(xiàn)渦激共振。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。