一種可抗強(qiáng)/臺風(fēng)的大跨度橋梁用橋塔的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于吸/吹氣技術(shù)的可抗強(qiáng)/臺風(fēng)的大跨度橋梁用橋塔，特別適 用于大跨度斜拉、懸索橋等的超高橋塔結(jié)構(gòu)，以有效減小橋塔在強(qiáng)/臺風(fēng)作用下的風(fēng)致振 動響應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害中發(fā)生最頻繁的一種。近年來，全球氣候變化較大，臺風(fēng)等強(qiáng)風(fēng)天 氣顯得更加猖獗，風(fēng)災(zāi)損失逐年增加。我國當(dāng)前正處于交通工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展階段，大量 特大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，橋梁主跨不斷被刷新。這些大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)對強(qiáng)/臺風(fēng)作用 更加敏感，其在各類動力荷載作用下的振動幅度隨著橋跨的增加而不斷增大，因此，對這些 大跨度橋梁進(jìn)行全面合理的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和振動控制必不可少。
[0003] 結(jié)構(gòu)振動控制是當(dāng)前工程界研宄的熱點(diǎn)之一。在大跨度斜拉、懸索橋體系風(fēng)振控 制中，空氣動力學(xué)和機(jī)械阻尼等措施采用較多。其中，空氣動力學(xué)措施（包括被動、半主動 和主動控制）是當(dāng)前控制橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致振動響應(yīng)最為重要的手段之一，近半個世 紀(jì)以來得到了廣泛的研宄和應(yīng)用。流動控制被認(rèn)為是當(dāng)前空氣動力學(xué)最有發(fā)展?jié)摿Φ难绣?領(lǐng)域之一，是指采取一定的局部控制措施來改變鈍體或流線體周圍的全局流場，從而實(shí)現(xiàn) 控制流動分離、改善繞流性能、減少阻力等目的的控制方法。
[0004] 主動流動控制是指借助某種手段對流線體或鈍體邊界施加某些附加條件，從而實(shí) 現(xiàn)物體周圍的繞流分離。主動流動控制僅僅通過對流場中某些臨界點(diǎn)進(jìn)行控制就可以對整 個流場產(chǎn)生影響，還可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜動力系統(tǒng)的高效相位控制，使其備受關(guān)注。吸/吹氣法 是主動流動控制領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一種控制方法，吸氣法是通過對分離剪切層中螺旋 狀旋渦和邊界層中即將分離的低速流動部分進(jìn)行吸除，從而減少結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)并控制結(jié)構(gòu)風(fēng) 致振動。吹氣法則是通過對邊界層中受粘性和逆壓梯度阻撓而停滯不前的流體等施加額外 的動量，從而抑制流體分離的發(fā)展。
[0005] 零質(zhì)量射流技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過近20年的發(fā)展已相對成熟，使實(shí)現(xiàn) 大跨度橋梁橋塔結(jié)構(gòu)基于吸/吹氣方法的主動流動控制成為可能。通過對旋渦結(jié)構(gòu)的融合 控制可以實(shí)現(xiàn)這種零質(zhì)量射流的"合成"，高動量的變頻流動控制可以通過微小型激勵器的 調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，因而有效降低了系統(tǒng)體量，彌補(bǔ)了常規(guī)均勻吸/吹氣控制技術(shù)的不足。在大跨 度橋梁的橋塔結(jié)構(gòu)上合理有效的布置安裝此類射流裝置，可以起到控制橋梁風(fēng)荷載和風(fēng)致 振動的作用，提升大跨度橋梁橋塔結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。
[0006] 近年來傳感器技術(shù)、自動化控制技術(shù)等得到了飛速發(fā)展，相關(guān)理論也不斷完善。風(fēng) 速、風(fēng)壓和加速度等傳感器的采樣頻率以及測試精度不斷提升，如Gill風(fēng)速風(fēng)向儀的采樣 頻率已可達(dá)100Hz。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也逐步實(shí)現(xiàn)了無線化和智能化，抗干擾和屏蔽能力不斷提 升。控制技術(shù)領(lǐng)域的時滯問題也由于同步技術(shù)的應(yīng)用而得到了較好地解決。以上均為本新 型抗強(qiáng)風(fēng)橋塔結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
[0007] 可以預(yù)見，隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，具有超強(qiáng)跨越能力的懸索橋、斜 拉橋?qū)兄鼮閺V闊的工程應(yīng)用前景。伴隨著纜索支承橋梁體系跨徑的不斷增加，相應(yīng) 的橋塔結(jié)構(gòu)也將越來越高，對超高橋塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制也因此顯得更加迫切。如何將結(jié)構(gòu)抗 風(fēng)新技術(shù)應(yīng)用于橋塔結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)，以減小橋塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動響應(yīng)將備受關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種可抗強(qiáng)/臺風(fēng)的大跨度橋梁用橋塔，在不改 變原有橋塔主要形狀的同時，在橋塔上布設(shè)零質(zhì)量射流裝置以及主動流動控制系統(tǒng)，以減 小作用在橋塔結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載、控制橋塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動。
[0009] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種可抗強(qiáng)/臺風(fēng)的大跨度橋梁 用橋塔，包括橋塔主體結(jié)構(gòu)，所述橋塔主體結(jié)構(gòu)上安裝有傳感器子系統(tǒng)和零質(zhì)量射流裝置， 所述傳感器子系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集傳輸和存儲子系統(tǒng)連接到閾值判定子系統(tǒng)，所述零質(zhì)量射 流裝置連接到供能系統(tǒng)和閾值判定子系統(tǒng)。
[0010] 具體地，所述傳感器子系統(tǒng)包括風(fēng)速風(fēng)向儀、加速度傳感器和風(fēng)壓計(jì)，所述傳感器 子系統(tǒng)采集橋址區(qū)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)、橋塔結(jié)構(gòu)的加速度和風(fēng)壓數(shù)據(jù)以及主體結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)； 所述數(shù)據(jù)采集傳輸和存儲子系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備傳遞給閾值判定子系統(tǒng)， 所述閾值判定子系統(tǒng)對實(shí)測數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)方法建立各個指標(biāo)的概率分布曲線，預(yù)先設(shè)定的 各自上分位點(diǎn)對應(yīng)的指標(biāo)值，作為零質(zhì)量射流裝置的動作閾值。
[0011] 本發(fā)明的基于吸/吹氣原理的可抗強(qiáng)/臺風(fēng)的大跨度橋梁用橋塔，包括塔柱、塔柱 間橫梁、零質(zhì)量射流裝置、風(fēng)速風(fēng)向儀、風(fēng)壓計(jì)、加速度傳感器、中心機(jī)房和基于風(fēng)能效應(yīng)的 大跨徑橋梁自供能系統(tǒng)；其中，塔柱和塔柱間橫梁構(gòu)成橋塔的主體結(jié)構(gòu)，以承受纜、索傳來 的荷載；風(fēng)速風(fēng)向儀、風(fēng)壓計(jì)、加速度傳感器、零質(zhì)量射流裝置以及中心機(jī)房構(gòu)成主動流動 控制系統(tǒng)。
[0012] 在保證橋塔承載能力和正常使用的同時，將零質(zhì)量射流裝置安裝在橋塔橫梁和塔 柱中，使之在接收到指令后，可發(fā)揮主動流動控制功能。新型橋塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)主要取決于 吸/吹氣流量系數(shù)，且與風(fēng)速廓線有密切聯(lián)系，而場地風(fēng)速廓線的具體形狀與該場地的地 表粗糙度直接關(guān)聯(lián)。我國現(xiàn)行《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》采用如下指數(shù)率模型來刻畫風(fēng)速廓線：
[0013]
(1)
[0014] 式⑴中，％和&分別表示2:與22高度處的風(fēng)速，a是與地表粗糙度影響有關(guān)的 無量綱冪指數(shù)，可根據(jù)規(guī)范查表確定。依據(jù)式（1)，橋址區(qū)地表?xiàng)l件一定時，高處風(fēng)速較大， 橋塔高處所受風(fēng)荷載對橋塔結(jié)構(gòu)的影響較大，因此對橋塔上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動流動控制將取 得更好的控制效果。
[0015] 為此，本發(fā)明中所述橋塔的零質(zhì)量射流裝置安裝于橋塔結(jié)構(gòu)的上半部分，根據(jù)功 率與風(fēng)速的平方成正比這一關(guān)系，輸出功率從下向上也以指數(shù)形式增加：
[0016]
(2)
[0017] 式⑵中，4和孓分別表示ZJPZ2高度處的射流器輸出功率，a同式⑴。
[0018] 輸出功率的基準(zhǔn)值孓依據(jù)作用于橋塔結(jié)構(gòu)的等效靜力風(fēng)荷載來確定，橋塔結(jié)構(gòu)的 風(fēng)振系數(shù)參照式（3)確定后，即可得到相應(yīng)的等效靜力風(fēng)荷載。
[0019]
(3)
[0020] 式⑶中，瓦(_，)和〇K(z)分別表示順風(fēng)向位移響應(yīng)的均值和均方根，可以通過對橋 塔結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到。
[0021] 依據(jù)陣風(fēng)荷載因子法得到的等效靜力風(fēng)荷載為：
[0022]
(4)
[0023] 式（4)中，7⑴為z高度處靜力風(fēng)荷載，可以通過實(shí)測或理論分析得到。至此，依據(jù) 模型試驗(yàn)與教倌律椋枋太律立等效靜力風(fēng)荷載和輸出功率基準(zhǔn)值之間的關(guān)系如下：
[0024]
(5)
[0025] 式（5)中，0為荷載功率轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法進(jìn)行確定。
[0026] 本發(fā)明所述橋塔將中心機(jī)房安置于橋塔柱間橫梁中，依據(jù)線性定常系統(tǒng)的受控運(yùn) 動方程，中心機(jī)房對傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的閾值判定子系統(tǒng)對 零質(zhì)量射流裝置是否啟動進(jìn)行判斷，控制方程在數(shù)學(xué)上表示為狀態(tài)空間方程，其離散形式 如下：
[0027] (6)
[0028] 式（6)中，上式為狀態(tài)方程，下式為輸出方程。A為狀態(tài)系數(shù)矩陣，B為系統(tǒng)控制系 數(shù)矩陣，C為輸出狀態(tài)系數(shù)矩陣，D為輸出控制系數(shù)矩陣。依據(jù)物理意義，設(shè)系統(tǒng)K時刻狀 態(tài)X[K]，K+1時刻的狀態(tài)為X[K+1]，計(jì)算機(jī)依據(jù)程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制，控制描述為U[K]，輸 出描述為Y[K]，此時對系統(tǒng)K時刻控制的描述即可依據(jù)方程（6)進(jìn)行。
[0029] 具體地，所述橋塔為具有塔柱和下橫梁的H型橋塔，所述下橫梁中安裝有基于風(fēng) 能效應(yīng)的大跨徑橋梁自供能系統(tǒng)電能儲存及線路優(yōu)化控制模塊和中心機(jī)房。
[0030] 本發(fā)明所述橋塔風(fēng)速風(fēng)向儀、風(fēng)壓計(jì)、加速度傳感器、中心機(jī)房及射流裝置等的能 源供應(yīng)可以依據(jù)本課題組已授權(quán)專利《一種基于風(fēng)能效應(yīng)的大跨徑橋梁自供能系統(tǒng)》（發(fā)明 專利授權(quán)號：ZL201210566841X)來實(shí)現(xiàn)。
[0031] 本發(fā)明中所述的橋塔體系以H型橋塔為例，功能分區(qū)清晰，通過主動流動控制技 術(shù)的引入，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)/臺風(fēng)環(huán)境下超高橋塔結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動的自動化控制。其中，通過在橋塔 塔柱的頂部設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向儀，同時在射流裝置