一种用于减轻桥梁风振的方法及系统 |
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| 申请号 | CN202311505819.9 | 申请日 | 2023-11-13 | 公开(公告)号 | CN117744201A | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
| 申请人 | 中铁二院工程集团有限责任公司; | 发明人 | 陈星宇; 曾永平; 徐昕宇; 李照宇; 余浩伟; 秦煜; 陶奇; 高柏松; 顾昀; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及抑制 桥梁 风 致振动的技术领域，特别是一种用于减轻桥梁风振的方法及系统。一种用于减轻桥梁风振的方法，包含如下步骤：在桥梁主梁两侧关于主梁 中轴 线对称铰接设置若干减振板，减振板能够以主梁的法线为轴进行摆动，减振板包含A类板和B类板，A类板和B类板在桥梁的同一侧间隔设置，主梁两侧的减振板的种类相对应；获取桥梁的风振 频率 f；控制减振板开始摆动，A类板以 的频率进行摆动，B类板以(i+0.5)f的频率进行摆动，不同侧的减振板的初始摆动方向相反；t分钟后判断桥梁是否处于风致振动的状态，若桥梁还处于风致振动状态，则继续控制减振板摆动，直至桥梁的风致振动停止；若桥梁的风致振动已停止，则减振板停止摆动。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于减轻桥梁风振的方法，其特征在于，包含如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种用于减轻桥梁风振的方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及抑制桥梁风致振动的技术领域，特别是一种用于减轻桥梁风振的方法及系统。 背景技术[0002] 气动措施和机械措施是抑制桥梁风振的主要手段。通过机械措施达到抑制主梁涡振的效果造价极高，且维护成本亦较高。气动措施控制成本和代价更小，因此采用气动措施相对阻尼措施来说更为经济合理，也是现有采用最为广泛的风振控制手段。 [0003] 气动措施包括被动控制与主动控制两种。 [0004] 被动控制是通过改变桥梁主梁断面的气动外形或增加附属构件来提高大跨桥梁抗风能力，由于该方式简单经济已广泛应用于实际工程中，如导流板、中央稳定板、风嘴等。被动控制措施基于二维断面流场分析提出，无法根据风速、风向、桥梁振动状态等灵活控制气动措施，高效扰乱来流风场，并不能完全适应复杂多变的自然风环境，使用条件有限，而且需要在沿主梁展向方向通长设置控制装置，大大增加了成本。 [0005] 主动控制则是通过设置巧妙的机械构造，使原本固定不动的被动控制能够实现运动，达到振动控制的效果，适用范围更广。故现在多使用主动控制来抑制桥梁风振。但是，现有的用于主动控制的装置，需要预先设置，所以不能够适应不同频率的风致振动。 发明内容[0006] 本发明的目的在于：解决现有技术存在的采用气动措施的主动控制方法来抑制桥梁的风致振动，需要预先设置主动控制的相关装置，故不能够适应不同频率的风致振动的问题，提供了一种用于减轻桥梁风振的方法及系统。 [0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为： [0008] 一种用于减轻桥梁风振的方法，包含如下步骤： [0009] S1、在桥梁主梁两侧关于主梁中轴线对称铰接设置若干减振板，减振板能够以主梁的法线为轴进行摆动，减振板包含A类板和B类板，A类板和B类板在桥梁的同一侧交错设置，主梁两侧的减振板的种类相对应； [0010] S2、获取桥梁的风振频率f； [0011] S3、控制减振板开始摆动，A类板以 的频率进行摆动，B类板以(i+0.5)f的频率进行摆动，不同侧的减振板的初始摆动方向相反，其中i＝0,1,2…n； [0012] S4、减振板开始摆动t分钟后判断桥梁是否处于风致振动的状态，若桥梁还处于风致振动状态，则继续控制减振板摆动，直至桥梁的风致振动停止；若桥梁的风致振动已停止，则减振板停止摆动。 [0013] 减振板能够以主梁的法线为轴进行摆动，则减振板能够沿竖向摆动。主梁两侧的减振板的种类相对应，即主梁其中一侧是A类板，则以主梁的中轴线相对称的另一侧也为A类板。步骤S3也能够替换为A类板以(i+0.5)f的频率进行摆动，B类板以 的频率进行摆动。不同侧的减振板的初始摆动方向相反，即其中一侧的初始摆动方向为顺时针，则另一侧的初始摆动方向为逆时针。 [0014] 主梁两侧的减振板关于主梁中轴线对称设置，且主梁两侧的减振板的种类也关于主梁的中轴线对称，则在减振板摆动时，两侧的减振板施加于主梁的振动频率一致，能够尽可能避免因为主梁两侧的振动频率不一致造成的主梁的结构疲劳甚至结构变形，或是对桥梁上行驶的车辆产生安全影响的情况。两组减振板的摆动频率不同，则能够产生两组不同频率的旋涡。当减振板的摆动频率与桥梁的风振频率f存在倍频或半频关系时，容易引起桥梁振动的加剧；当减振板的摆动频率与桥梁的风振频率f存在(i+0.5)(i＝0,1,2,3……)倍或 (i＝0,1,2,3……)关系时，减振板不会与桥梁产生同频共振，减振板后周期性脱落的旋涡产生的周期性力会对桥梁振动起到更好的抑制作用。而不同侧的减振板的初始摆动方向相反，是因为减振板摆动时会产生旋涡，使得减振板能够产生两类不同方向的旋涡，从而使得桥梁同时受到竖直向上和竖直向下的升力，进而尽可能使得桥梁在竖直方向的受力平衡。 [0015] 作为本发明的优选方案，步骤S2和步骤S1之间还包含判断桥梁是否处于风振状态的步骤。 [0016] 判断桥梁是否处于风振的状态，若是桥梁不处于风振状态则不进行后续获取风振频率和控制减振板摆动的步骤，利于节约成本。 [0017] 作为本发明的优选方案，判断桥梁是否处于风振状态的步骤如下： [0018] I、获取桥梁的风振位移和位移对应时间； [0020] III、若是桥梁振动的频域信号存在卓越频率，则说明桥梁存在风致振动，取卓越频率为风振频率f；若是桥梁振动的频域信号不存在卓越频率，则说明桥梁不存在风致振动。 [0021] 卓越频率是指在随机震动过程中出现概率最多的频率。若频域信号中不存在卓越频率，则表明桥梁未发生周期性规律振动，则桥梁未发生风致振动；若频域信号存在卓越频率，则表明结构发生周期性规律振动，桥梁发生了风致振动。 [0022] 作为本发明的优选方案，步骤S1中还能够将减振板铰接安装于桥梁桥塔垂直于横桥向的两个侧面的外缘。 [0023] 一种用于减轻桥梁风振的系统，包含： [0024] 频率获取模块，用于获取桥梁的风振频率f； [0025] 减振模块，包含多个减振板，减振板包含A类板和B类板，减振板以主梁中轴线对称设置在主梁两侧或是桥梁桥塔垂直于横桥向的两个侧面的外缘，减振板能够以主梁的法线为轴进行摆动，同一侧的A类板和B类板交错设置，同一横向位置的主梁两侧或桥塔两侧的减振板的类型相同； [0026] 控制模块，用于接收频率获取模块传递的f，并根据风振频率f控制A类板以的频率进行摆动，B类板以(i+0.5)f的频率进行摆动，同时控制同一侧的减振板的初始摆动方向相同，其中i＝0,1,2…n； [0027] 频率获取模块信号连接于控制模块，控制模块信号连接于减振模块。 [0028] 控制模块也能够控制A类板以 的频率进行摆动、B类板以(i+0.5)f的频率进行摆动。频率获取模块获得了f并将f传输至控制模块，控制模块根据f获取能够干扰桥梁风振的相关频率，并将该频率信号传输至减振模块，使得减振模块的减振板按照控制模块传输的频率进行摆动，从而干涉桥梁的风致振动。相较于现有技术预先设置主动控制的相关装置而言，本系统能够根据桥梁的风振频率来控制减振模块的摆动频率，能够适用于复杂的风环境。 [0029] 作为本发明的优选方案，频率获取模块包含： [0030] 振动时程获取模块，用于获取桥梁法振动位移和位移对应的时间； [0031] 信号转换模块，用于接收振动时程获取模块传递的信号，并将桥梁的振动位移和位移对应的时间进行傅里叶变换，获得桥梁振动的频域信号； [0032] 判断模块，接收信号转换模块传递的频域信号，并判断桥梁是否处于风致振动状态，若是则提取频域信号的卓越频率作为风振频率f发送至控制模块；若不是则不发送信号； [0033] 振动时程获取模块信号连接于信号转换模块，信号转换模块信号连接于判断模块，判断模块信号连接于控制模块。 [0034] 因为在减振模块进行摆动后，桥梁的振动频率会产生变化，故先判断桥梁是否处于风振状态，以确定是否进行后续步骤。当桥梁不处于风振状态时，判断模块不向控制模块发送信号，则控制模块和减振模块都部进行工作，利于节约控制成本。 [0035] 作为本发明的优选方案，减振板的自身高度h为主梁高度H或是桥塔纵向尺寸的0.15‑0.3倍，减振板的自身长度l为h的1‑3倍，A类板和B类板和尺寸和结构相同。 [0036] 减振板的自身高度即减振板的竖向尺寸，减振板的自身长度即减振板的水平向尺寸。减振板的自身高度h为主梁高度H的0.15‑0.3倍，能够尽可能避免因为减振板自身高度过小使得减振效果不显著的情况，同时也能够避免因为减振板自身高度过大造成的桥梁结构的损坏。A类板和B类板的尺寸和结构相同，则能够尽可能使得主梁在竖向的受力平衡，尽可能避免损伤桥梁的结构。 [0037] 作为本发明的优选方案，相邻的两个A类板和B类板的中心距为自身长度l的1.5‑4倍，减振板初始沿主梁横截面或桥塔横截面方向设置，减振板相对于主梁横截面的或是桥塔横截面的最大摆动角度为±30°、最小摆动角度为±10°。 [0038] A类板和B类板的中心距为自身长度l的1.5‑4倍，避免过小而导致两者之间的碰撞，避免过大距离而导致控制效果不良的情况。摆动角度以顺时针为正，逆时针为负。 [0039] 作为本发明的优选方案，减振板表面设置有压电片。 [0040] 减振板表面设置有压电片，则当减振板处于原始位置，减振板容易受到风的作用而产生微小形变和振动，固定在减振板上的压电片会随着减振板的形变和振动而产生周期性应变，当减振板进行摆动时，压电片还会随着减振板的周期性摆动而受到周期性波动的压力作用，从而输出周期性电压，利用压电材料的正压电效应可以实现机械能向电能的转化，达到发电效果。 [0042] 信号转换模块包含智能控制电机，智能控制电机包含A组智能控制电机和B组智能控制电机，A组智能控制电机用于控制A类板、B组智能控制电机用于控制B类板，智能控制电机设置于主梁端部或是桥塔垂直于横桥向的两个侧面的端部。 [0043] 主梁的关键位置包含主梁纵向1/2、1/4、3/4位置、桥塔的关键位置包含桥塔塔顶位置。 [0044] 综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是： [0045] 1、一种用于减轻桥梁风振的方法，通过先获取桥梁的风振频率，之后再根据桥梁的风振频率调整桥梁的减振板的摆动频率，使得该减振方法适用于不同风振频率的桥梁。且减振板分为两组，两组的减振板分别按 和(i+0.5)f的频率进行摆动，减振板不会与桥梁产生同频共振，减振板后周期性脱落的旋涡产生的周期性力会对桥梁振动起到更好的抑制作用，解决了现有技术存在的采用气动措施的主动控制方法来抑制桥梁的风致振动，需要预先设置主动控制的相关装置，故不能够适应不同频率的风致振动的问题。 [0046] 2、一种用于减轻桥梁风振的系统，通过设置频率获取模块、控制模块和减振模块，控制模块根据频率获取模块传递的信号控制减振模块的摆动频率，解决了现有技术存在的采用气动措施的主动控制方法来抑制桥梁的风致振动，需要预先设置主动控制的相关装置，故不能够适应不同频率的风致振动的问题。附图说明 [0048] 图2是实施例2中一种用于减轻桥梁风振的系统的模块逻辑连接示意图； [0049] 图3是实施例2中减振板的布置图(图中为俯视视角)； [0050] 图4是实施例2中减振板的工作状态图一； [0051] 图5是实施例2中减振板的工作状态图二； [0052] 图6是实施例2中一种用于减轻桥梁风振的系统的布置图一； [0053] 图7是实施例2中一种用于减轻桥梁风振的系统的布置图二； [0054] 图8是实施例2中一种用于减轻桥梁风振的系统运行时的流场图； [0055] 图9是实施例2中一种用于减轻桥梁风振的系统的运行效果图； [0056] 图10是实施例2中减振板的正视图一； [0057] 图11是实施例2中减振板的俯视图一； [0058] 图12是实施例3中减振板的正式图二； [0059] 图13是实施例3中减振板的正视图二； [0060] 图14是实施例3中的流场图一； [0061] 图15是实施例3中的流场图二； [0062] 图16是实施例3中的流场图三。 [0063] 图标：1‑减振板，2‑智能控制电机，101‑A类板，102‑B类板，103‑A组智能控制电机，104‑B组智能控制电机，105‑连接构件，106‑转动轴承，107‑线路，108‑位移传感器，109‑压电片，110‑圆筒。 具体实施方式[0064] 下面结合附图，对本发明作详细的说明。 [0065] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0066] 实施例1 [0067] 如图1所示，一种用于减轻桥梁风振的方法，包含如下步骤： [0068] S1、在桥梁主梁两侧关于主梁中轴线对称铰接设置若干减振板1，减振板1能够以主梁的法线为轴进行摆动，减振板1包含A类板101和B类板102，A类板101和B类板102在桥梁的同一侧间隔设置，主梁两侧的减振板1的种类相对应； [0069] S2、获取桥梁的风振频率f； [0070] S3、控制减振板1开始摆动，A类板101以 的频率进行摆动，B类板102以(i+0.5)f的频率进行摆动，不同侧的减振板1的初始摆动方向相反，本实施例中，A类板101的摆动频率为； [0071] S4、减振板1开始摆动t分钟后判断桥梁是否处于风致振动的状态，若桥梁还处于风致振动状态，则继续控制减振板1摆动，直至桥梁的风致振动停止；若桥梁的风致振动已停止，则减振板1停止摆动。 [0072] 步骤S2和步骤S1之间还包含判断桥梁是否处于风振状态的步骤。判断桥梁是否处于风振状态的步骤如下： [0073] I、获取桥梁的风振位移和位移对应时间； [0074] II、将桥梁的振动位移和位移对应的时间进行傅里叶变换，获得桥梁振动的频域信号； [0075] III、若是桥梁振动的频域信号存在卓越频率，则说明桥梁存在风致振动，取卓越频率为风振频率f；若是桥梁振动的频域信号不存在卓越频率，则说明桥梁不存在风致振动。 [0076] 步骤S1中减振板1安装于主梁底面的两侧，还能够安装于桥塔垂直于横桥向的两个侧面的外缘。 [0077] 实施例2 [0078] 如图2所示，一种用于减轻桥梁风振的系统，包含： [0079] 频率获取模块，用于获取桥梁的风振频率f； [0080] 减振模块，包含多个减振板1，减振板1包含A类板101和B类板102，减振板1以主梁中轴线对称设置在主梁两侧或是桥梁桥塔垂直于横桥向的两个侧面的外缘，减振板1能够以主梁的法线为轴进行摆动，同一侧的A类板101和B类板102交错设置，同一横向位置的主梁两侧或桥塔两侧的减振板1的类型相同； [0081] 控制模块，用于接收频率获取模块传递的f，并根据风振频率f控制A类板101以的频率进行摆动，B类板102以(i+0.5)f的频率进行摆动，同时控制同一侧的减振板1的初始摆动方向相同，其中i＝0,1,2…n； [0082] 频率获取模块信号连接于控制模块，控制模块信号连接于减振模块。 [0083] 其中，频率获取模块包含： [0084] 振动时程获取模块，用于获取桥梁法振动位移和位移对应的时间； [0085] 信号转换模块，用于接收振动时程获取模块传递的信号，并将桥梁的振动位移和位移对应的时间进行傅里叶变换，获得桥梁振动的频域信号； [0086] 判断模块，接收信号转换模块传递的频域信号，并判断桥梁是否处于风致振动状态，若是则提取频域信号的卓越频率作为风振频率f发送至控制模块；若不是则不发送信号； [0087] 振动时程获取模块信号连接于信号转换模块，信号转换模块信号连接于判断模块，判断模块信号连接于控制模块。 [0088] 振动时程获取模块包括设置于主梁的关键位置或是桥塔关键位置的位移传感器，主梁的关键位置，即主梁纵向1/2、1/4、3/4位置；桥塔关键位置，包含桥塔的塔顶位置。信号转换模块包含智能控制电机2，智能控制电机2分为A组智能控制电机103和B组智能控制电机104，A组智能控制电机103用于控制A类板101的摆动、B组智能控制电机104用于控制B类板102的摆动，且A组智能控制电机103和B组智能控制电机104分别设置于主梁的两端，如图6‑7所示，且主梁的两侧均设置有智能控制电机2。减振板1的布置如图3所示，减振板1的工作状态如图4‑5所示。图8为本装置工作中的流场图，其中箭头为风的风向。图9为使用了本装置和未使用本装置的对比图，其中，无控制措施在风速15之后振幅急速下降是因为结构发生了涡振。 [0089] 如图6‑7所示，减振板1通过连接构件105连接于转动轴承106，转动轴承106设置于箱梁或桥塔内部，位于每个减振板1上方，转动轴承106的转动通过连接构件105传递给减振板1，带动减振板1实现摆动。减振板1相对于主梁横截面的或是桥塔横截面的最大摆动角度为±30°、最小摆动角度为±10°。如图10‑11所示，本实施例中连接构件105设置于减振板1的中间，且连接构件105两侧各设置有压电片109。 [0090] A组智能控制电机103和B组智能控制电机104与转动轴承106通过线路107连接，用于传递控制信号，与位移传感器108通过线路107连接，用于传递桥梁振动位移数据。 [0091] 减振板1的自身高度h为主梁高度H的0.15‑0.3倍，减振板1的自身长度l为h的2‑3倍，A类板101和B类板102和尺寸和结构相同。减振板1的形状能够为导角矩形、倒梯形或窄翼缘工字型板等形状。本实施例中减振板1为硬质材料。如图3所示，减振板1的初始位置与横桥向相平行，不挡风，减小了因增设气动措施而增加的迎风面积，减小桥梁整体风荷载受力，减小横向稳定性问题，减轻桥梁自重，进一步降低造价。相邻的两个A类板101和B类板102的中心距为自身长度l的1.5‑4倍。减振板1表面设置有压电片109。减振板1还可以为刚度稍小的材料，如柔性高分子复合材料，当鱼尾减振板1处于原始位置，减振板1会产生周期性摆动，在该减振板1上设置压电片109，具有更高的发电效率。 [0092] 减振板1表面设置有不通长的纵向加劲肋，纵向加劲肋的长度为减振板1高度的2‑3倍，竖向加劲肋图中未示出。 [0093] 实施例3 [0094] 如图12‑13所示，一种用于减轻桥梁风振的系统，其和实施例2大致相似，不同之处在于，减振板1自身长度减小为自身高度的1‑2倍，连接构件设置于减振板1的其中一端，连接构件外部设置尺寸更大的圆筒110，圆筒110的直径为减振板1自身长度的0.25‑0.5倍。本装置的流场图如图14‑16所示。 |
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