大跨桥梁抗风水下阻尼系统 |
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| 申请号 | CN200810031067.6 | 申请日 | 2008-04-14 | 公开(公告)号 | CN101260646B | 公开(公告)日 | 2010-10-13 |
| 申请人 | 李有为; | 发明人 | 李有为; | ||||
| 摘要 | 一种大跨 桥梁 抗 风 水 下阻尼系统，属于桥梁工程技术领域；它的组成是，在大跨桥梁的加劲梁或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，且该阻尼构件的重 力 大于 浮力 。该系统可充分利用天然水资源形成大规模廉价而又功能强大的的阻尼，通过桥梁结构外部作用-阻尼构件能在桥梁加劲梁发生竖向振动时在水中发生相应振动，由此耗散巨大 能量 并产生巨大阻力来抑制加劲梁振动，从而能较大程度提高桥梁在风荷载作用下的 颤振 稳定性 ，并且能有效地抑制涡激振动。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大跨桥梁抗风水下阻尼系统，其特征是，该系统为：在大跨桥梁的加劲梁上或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，该阻尼构件在水平面上的投影面积A0与其在任何垂直于水平面的平面上的投影面积Ax满足关系：A0≥3Ax。 |
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| 说明书全文 | 大跨桥梁抗风水下阻尼系统技术领域[0001] 本发明涉及桥梁工程，具体是指大跨桥梁抗风水下阻尼系统。 背景技术[0002] 目前的大跨桥梁颤振控制研究主要有结构措施、空气动力学措施和机械阻尼措施三个方向。结构措施方面，主要做法是尽量采用抗扭刚度较大的加劲梁，如钢桁梁、钢箱梁等，以及设置交叉吊索系统等；空气动力学措施的一般做法有调整加劲梁的气动外形、设置中央稳定板及中央开槽等；机械阻尼措施的工程应用主要通过安装调谐质量阻尼器来提高桥梁结构阻尼。大量的工程实践证实了这些研究在有效控制大跨桥梁风动稳定性方面的积极意义。 [0003] 随着杭州湾大桥等跨海工程的成功建设，21世纪的国际桥梁工程已经进入跨海连岛工程的新时期。在21世纪上半叶，规划中的欧亚博斯普鲁斯海峡第三通道、中国的琼州海峡通道及舟山连岛工程等一大批跨海工程将有可能付诸工程实践。为避开海洋超深水基础施工的困难，超大跨桥梁成为必然的选择。而随着桥梁跨度的增大，桥梁结构刚度急剧减弱，这使风致振动特别是颤振稳定性对桥梁安全性的影响更加重要。再加上来自海上台风的威胁，未来超大跨跨海大桥的建设将必然面临更高的抗风稳定性要求。 发明内容[0004] 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种大跨桥梁抗风水下阻尼系统，该系统的阻尼构件能在桥梁加劲梁发生竖向振动时在水中发生相应振动，由此耗散巨大能量并产生巨大阻力来抑制加劲梁振动，从而提高桥梁在风荷载作用下的稳定性；它可充分利用天然水资源，实施大规模廉价而又功能强大的的阻尼措施。 [0005] 本发明的技术方案是，所述大跨桥梁抗风水下阻尼系统为：在大跨桥梁(如悬索桥、斜拉桥)的加劲梁或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，该阻尼构件在水平面上的投影面积A0与其在任何垂直于水平面的平面上的投影面积Ax满足以下关系，A0≥3Ax。如A0＝10Ax，A0＝20Ax，A0＝100Ax等。 [0006] 以下对本发明做出进一步说明。 [0007] 本发明所述在大跨桥梁(如悬索桥、斜拉桥)的加劲梁或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，即是使所述吊索的一端与桥梁的加劲梁或主缆连接而另一端连接所述阻尼构件。所述阻尼构件是指在水平面上的投影面积A0大于或等于其在任何垂直于水平面的平面上的投影面积Ax的三倍的构件。如水平薄板即是其中的一种。该阻尼构件的重力大于浮力而可浸没在水中。 [0008] 本发明的主要工作原理是，借助桥梁结构外部作用(桥梁加劲梁振动时带动大面积阻尼构件在水中运动时产生的巨大阻力)抑制桥梁加劲梁的振动，大大增大桥跨系统阻尼，从而大幅提高大跨柔性桥梁的颤振稳定性，较好地解决大跨桥梁在风作用下的稳定性问题，并有可能较大程度地减小大跨桥梁建设的造价，取得较好的经济效果。 [0009] 本发明的技术方案已经在湖南大学风工程实验研究中心HD-2号风洞第一试验段得到试验检验。试验以某特大悬索桥为背景，开展了扭弯频率比分别为3.0、2.5、2.0和1.5四种情况下的节段模型颤振试验研究，其中每种情况都进行了设置抗风水下阻尼系统前后的试验对比。试验结果表明：抗风水下阻尼系统能大幅提高不同扭弯频率比下悬索桥的颤振临界风速；其抗风减振效果，与阻尼构件的面积分布率(所谓面积分布率是指阻尼构件在水平面上的总投影面积与桥面总面积的比值)密切相关，且成单调递增关系，面积分布率越大，效果越明显。 [0010] 试验桥梁的扭弯频率比为3.0，其采用的抗风措施为“设置分离式中央稳定板上稳定板高0.5m、下稳定板高1m，并辅之以封槽”的气动措施，其颤振检验风速为51.5m/s。试验测得该桥在0°风攻角情况下的实桥颤振临界风速为70.65m/s。 [0011] 去掉该大桥的气动措施后，节段模型颤振风洞试验测得的在0°风攻角情况下，换算到实桥后的颤振临界风速结果，见下表： [0012] [0013] 表注：表中“开孔率”是指阻尼构件开孔面积与阻尼构件面积的比值； [0014] 表中ft/fh的是指桥梁的扭弯频率比。 [0015] 通过对试验结果进行分析，不难发现： [0016] 1.在设置抗风水下阻尼系统后，各种扭弯频率比情况下桥梁的颤振临界风速都有大幅提高。举阻尼构件面积分布率为10.82％、开孔率为0％的情况为例，扭弯频率比为3.0、2.5、2.0和1.5时，与不设阻尼措施前相比，桥梁的颤振临界风速增幅分别达127.5％、 122.4％、56.6％和140.1％； [0017] 2.对扭弯频率比ft/fh＝3.0的试验大桥实桥，阻尼构件面积分布率仅为10.82％而不设中央稳定板的阻尼措施，测得的最低颤振临界风速达90.7m/s，远远超过既不设中央稳定板也不设水下阻尼系统情况下的40.4m/s，增幅达124.5％，远远超过要求的51.5m/s的颤振检验风速，增幅达76.1％，也远远超过设置中央稳定板、但不设置抗风水下阻尼系统情况下的70.65m/s，增幅达28.4％，效果非常明显。 [0018] 通过以上分析，可以得出以下结论： [0019] (1)设置抗风水下阻尼系统后，能大幅提高不同扭弯频率比情况下大跨桥梁的颤振临界风速，只需较小的分布规模就能取得很好的抗风减振效果；水下阻尼系统不失为一种有效的抑制颤振办法； [0020] (2)抗风水下阻尼系统的抗风减振效果，与阻尼构件的面积分布率密切相关，且成单调递增关系，阻尼构件面积分布率越大，抗风减振效果越好；不难预测，当阻尼构件面积分布率达到一定规模，就可能消除颤振失稳对大跨度桥梁带来的灾难； [0021] (3)在桥梁扭弯频率比相同的情况下，与空气动力学措施相比，抗风水下阻尼系统的抗风性能有一定的优势。 [0022] 本发明技术方案主要适用于大跨度柔性桥梁。对跨海桥梁，建设超大跨度(尤其是3000米以上)的一个重要原因是为了避开海洋深水基础，通航要求往往比较容易满足，在这种情况下，只要能保证一定的通航宽度，在桥跨的其余位置可以根据需求设置抗风水下阻尼系统；特别是，对于目前专家提出的长达120多公里的台湾海峡通道等庞大工程，只需在关键地段设置几个通航道后，其他位置基本上可以不考虑通航要求，可以根据需要设置抗风水下阻尼系统。本发明技术方案中的阻尼构件可重点考虑设置在水流速比较小的水域，根据海洋水速从水面往下呈指数递减的规律，可考虑在表面水流速较大的海峡将阻尼构件深入到水流较小的水下。 [0023] 通过在桥梁结构上合理设置抗风水下阻尼系统，能使其更容易满足抗风稳定性要求，并能够有效减弱桥梁的设计，使之更符合经济性要求。 [0024] 由以上可知，本发明为一种大跨桥梁抗风水下阻尼系统，它可充分利用天然水资源形成大规模廉价而又功能强大的的阻尼措施，通过桥梁结构外部作用——阻尼构件能在桥梁加劲梁发生竖向振动时在水中发生相应振动，由此耗散巨大能量并产生巨大阻力来抑制加劲梁振动，从而能较大程度提高桥梁在风荷载作用下的颤振稳定性，并且能有效地抑制涡激振动。附图说明 [0025] 图1是本发明一种实施例的阻尼系统沿桥纵向立面结构示意图(吊索一端同加劲梁连接)； [0026] 图2是图1所示阻尼系统沿桥横向断面结构示意图； [0027] 图3是本发明另一种实施例的阻尼系统沿桥纵向立面结构示意图(吊索一端同主缆连接)； [0028] 图4是图3所示阻尼系统沿桥横向断面结构示意图； [0029] 图5是本发明另一种实施例的阻尼系统结构示意图。 [0030] 在上述附图中： [0031] 1-悬索桥，2-水底， 3-阻尼构件， [0032] 4-水面， 5-吊索， 6-加劲梁， [0033] 7-主缆， 8-固定构件，9-竖向减振弹簧， [0034] 10-横向减振弹簧 具体实施方式[0035] 实施例1：如图1和图2所示，以悬索桥为例，主航道位于跨中时阻尼系统的设置是，在主航道两侧分别设置一定数量阻尼器，各阻尼器由连接在加劲梁6上的吊索(如钢缆)5，及由该索拉住并浸没在水中的阻尼构件3组成，即所述吊索5的一端与桥梁的加劲梁6连接而另一端连接所述阻尼构件3；该阻尼构件3为水平薄板，所述水平薄板的面积与厚度之比为50。 [0036] 实施例2：如图3和图4所示，以悬索桥为例，主航道位于跨中时阻尼系统的设置是，在主航道两侧分别设置一定数量阻尼器，各阻尼器由连接在主缆7上的吊索(如钢缆)5，及由该索拉住并浸没在水中的阻尼构件3组成，即所述吊索5的一端与桥梁的主缆7连接而另一端连接所述阻尼构件3。该阻尼构件3为水平薄板，所述水平薄板的面积与厚度之比为100。 [0037] 实施例3：对表面水流速较大，但海水又不太深的水域，可考虑在水下阻尼系统上配套采用图3所示的二级减振系统方案。该方案是，所述吊索5的一端与桥梁的加劲梁6或主缆7连接而另一端连接所述阻尼构件3；在所述阻尼构件3下方设置位于水底的固定构件8，该固定构件8与所述阻尼构件3之间用弹性构件连接，所述弹性构件可以是弹簧或其它适宜的弹性构件。所述弹簧可由竖向减振弹簧9和斜置的横向减振弹簧10组成。该阻尼构件3为水平薄板，所述水平薄板的面积与厚度之比为120。 [0038] 由固定构件8、阻尼构件3及连接固定构件8与阻尼构件3的竖向减振弹簧9和斜置的横向减振弹簧10组成二级减振系统。该二级减振系统通过一端固定在固定构件8上、另一端连接阻尼构件3的竖向减振弹簧9增大阻尼构件往上运动后恢复到原位的回复力，通过斜置的横向减振弹簧10的约束减弱水流对阻尼构件的影响。 |
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