一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置及方法 |
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| 申请号 | CN202110656629.1 | 申请日 | 2021-06-11 | 公开(公告)号 | CN113322783B | 公开(公告)日 | 2022-05-17 |
| 申请人 | 湖南大学; | 发明人 | 刘志文; 李书琼; 陈政清; 季建东; 李保俊; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供一种抑制大跨度 桥梁 主梁涡激共振的声屏障装置及方法，声屏障装置包括声屏障底座 和声 屏障本体，声屏障本体与 栏杆 基石之间的 角 度非垂直，且向大跨度桥梁外侧倾斜。声屏障装置(可以理解为折线型声屏障)改变了主梁断面所受的 气动 力 ，减弱了主梁断面尾流区 旋涡 脱落的强度，从而成功地抑制了主梁涡振响应，解决了采用直线型声屏障的主梁断面会发生涡振的技术难题。并且，本方案提供的声屏障装置，除降噪与环保功能外，还可以抑制主梁断面的涡激共振。以及，本方案的声屏障装置，无需再增添额外的气动控制措施，更加经济适用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置，其特征在于，大跨度桥梁沿第一方向延伸，其主梁翼端上沿所述第一方向延伸地铺设有栏杆基石，所述栏杆基石具有相对的第一侧和第二侧，所述第一侧面向大跨度桥梁内侧，所述第二侧面向大跨度桥梁外侧，所述栏杆基石上靠近所述第一侧的部位沿所述第一方向延伸地设置防撞护栏，所述声屏障装置包括： |
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| 说明书全文 | 一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置及方法技术领域[0001] 本申请涉及桥梁工程技术领域，具体而言，涉及一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置及方法。 背景技术[0002] 噪声是对人们现代生活影响最大的问题之一。在工程实践中，为了降低城市交通噪声对周围环境的影响，通常在城市道路或高架桥梁两侧(或单侧)设置声屏障，关于传统声屏障的研究与应用已十分成熟。 [0003] 随着生态文明建设的进一步推进，对在交通基础设施建设中对环境保护要求也更为严格，部分大跨度桥梁在穿越生态敏感区时必须考虑交通噪声对周边生物的影响。如深茂铁路江茂段经过广东江门市新会区“小鸟天堂”时，采用全封闭声屏障以降低列车轮轨噪声，从而减小对小鸟天堂的影响。 [0004] 大跨度桥梁具有结构自重轻、阻尼比低、频率低等特点，桥梁跨度较大时，结构自振频率较低，风对桥梁结构的作用将较为明显，可能引起桥梁结构的风致振动，如颤振、涡振、驰振或抖振响应等。当大跨度桥梁穿越生态保护区域时，为了尽量降低交通噪声对生态保护区域生物的影响，有必要安装声屏障。 [0006] 本申请实施例的目的在于提供一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置及方法，以同时满足降低噪声和控制涡振的要求。 [0007] 为了实现上述目的，本申请的实施例通过如下方式实现： [0008] 第一方面，本申请实施例提供一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置，大跨度桥梁沿第一方向延伸，其主梁翼端上沿所述第一方向延伸地铺设有栏杆基石，所述栏杆基石具有相对的第一侧和第二侧，所述第一侧面向大跨度桥梁内侧，所述第二侧面向大跨度桥梁外侧，所述栏杆基石上靠近所述第一侧的部位沿所述第一方向延伸地设置防撞护栏，所述声屏障装置包括：声屏障底座，沿所述第一方向延伸地设置在所述栏杆基石上，且与所述防撞护栏连接；声屏障本体，沿所述第一方向延伸地设置在声屏障底座上靠近所述第二侧的部位，且所述声屏障本体与所述栏杆基石之间的角度非垂直，且向大跨度桥梁外侧倾斜。 [0009] 在本申请实施例中，声屏障装置(可以理解为折线型声屏障)改变了主梁断面所受的气动力，减弱了主梁断面尾流区旋涡脱落的强度，从而成功地抑制了主梁涡振响应，解决了采用直线型声屏障的主梁断面会发生涡振的技术难题。并且，本方案提供的声屏障装置(折线型声屏障)，除降噪与环保功能外，还可以抑制主梁断面的涡激共振。以及，传统的直线型声屏障的主梁断面发生涡振时，需要额外安装气动措施，例如导流板、抑流板、气动格栅等。而本方案的声屏障装置(折线型声屏障)，无需再增添额外的气动控制措施，更加经济适用。 [0010] 结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述声屏障装置还包括连接件，所述连接件连接在所述声屏障本体与所述防撞护栏之间。 [0011] 在该实现方式中，声屏障装置的连接件连接在声屏障本体与防撞护栏之间，可以保证声屏障装置安装的稳定性和可靠性。 [0012] 结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述声屏障装置还包括声屏障立柱，多个所述声屏障立柱沿所述第一方向延伸地间隔设置在所述声屏障本体的顶端，且所述声屏障立柱与所述声屏障本体之间呈钝角，所述声屏障立柱向大跨度桥梁内侧倾斜。 [0013] 在该实现方式中，通过间隔设置声屏障立柱，有利于利用声屏障立柱对声屏障本体的连接进行加固。 [0014] 结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，针对一个所述声屏障立柱，该声屏障立柱与所述声屏障本体的夹角之间设有加劲肋，所述连接件包括第一连接杆和第二连接杆，所述第一连接杆连接在所述加劲肋与所述防撞护栏之间，所述第二连接杆连接在所述声屏障本体与所述防撞护栏之间。 [0015] 在该实现方式中，在声屏障立柱与声屏障本体的夹角之间设置加劲肋，再利用第一连接杆连接在加劲肋与防撞护栏之间，利用第二连接杆连接在声屏障本体与防撞护栏之间。这样可以有效加固声屏障本体设置的稳定性，保证在大跨度桥梁上安装的声屏障装置的质量。 [0016] 结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述防撞护栏包括护栏立柱和栏杆，多个所述护栏立柱沿所述第一方向延伸地间隔设置在所述栏杆基石上靠近所述第一侧的部位；所述栏杆沿所述第一方向延伸地设置在多个所述护栏立柱面向大跨度桥梁内侧的侧壁上；对应的，所述第一连接杆连接在所述加劲肋与所述护栏立柱之间，所述第二连接杆连接在所述声屏障本体与所述护栏立柱之间。 [0017] 结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述声屏障立柱与所述声屏障本体的夹角为120°。 [0018] 在该实现方式中，声屏障立柱与声屏障本体的夹角设置为120°，可使声屏障立柱对声屏障本体的加固作用更好地发挥。 [0019] 结合第一方面，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述声屏障底座具有通孔，该通孔的形状尺寸与所述防撞护栏在所述栏杆基石上截面的形状尺寸一致，此种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置应用于大跨度桥梁的修建过程。 [0020] 在该实现方式中，在声屏障装置应用于大跨度桥梁的修建过程中时，可以选用设置通孔的声屏障底座，以在大跨度桥梁的修建过程中使声屏障本体与防撞护栏使用同一底座，保证声屏障装置安装的稳定性和质量。 [0021] 结合第一方面，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述声屏障底座具有半包围式开口，该半包围式开口的尺寸与所述防撞护栏在所述栏杆基石上截面的尺寸一致，此种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置应用于大跨度桥梁的修建过程或改造过程。 [0022] 在该实现方式中，在声屏障装置应用于大跨度桥梁的修建过程或改造过程中时(主要是成桥改造过程)，由于成桥状态的大跨度桥梁，其防撞护栏已经建成，选用具有半包围式开口的声屏障底座，这样可以将其应用在成桥改造过程中，保证声屏障装置安装的稳定性和质量。 [0023] 结合第一方面，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述声屏障本体与所述栏杆基石之间的角度为108°。 [0024] 在该实现方式中，声屏障本体与栏杆基石之间的角度设置为108°，可以使得声屏障装置的效果(抑制了主梁涡振响应、抑制主梁断面的涡激共振等)最大化。 [0025] 第二方面，本申请实施例提供一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置试验方法，应用于第一方面或第一方面的可能的实现方式中任一项所述的抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置，所述方法包括：采用有限元建模方法对大跨度桥梁进行成桥状态下结构动力特性分析，得到在成桥状态下全桥不同阶次的固有频率；进行两自由度主梁成桥状态断面节段模型风洞试验，安装所述声屏障装置，对所述声屏障装置在0°、+3°、‑3°风攻角下，主梁竖向位移与扭转位移响应进行测量，其中，风向垂直于主梁断面，试验过程中模型竖向振动与扭转振动的阻尼比为0.727％；测量设置所述声屏障装置的主梁断面在‑12°～12°风攻角范围内，间隔为1°、试验风速为7m/s时，断面的阻力系数、升力系数以及力矩系数。 附图说明[0027] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。 [0028] 图1为本申请实施例提供的一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置的截面示意图； [0029] 图2为本申请实施例提供的一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置的正面示意图。 [0030] 图3为直线型声屏障主梁竖向位移根方差的示意图。 [0031] 图4为直线型声屏障主梁扭转位移根方差的示意图。 [0032] 图5为折线型声屏障主梁竖向位移根方差的示意图。 [0033] 图6为折线型声屏障主梁扭转位移根方差的示意图。 [0034] 图7为折线型声屏障主梁断面静三分力系数的示意图。 [0035] 图标：10‑大跨度桥梁；11‑主梁翼端；12‑栏杆基石；13‑防撞护栏；131‑护栏立柱；132‑栏杆；20‑声屏障装置；21‑声屏障底座；22‑声屏障本体；23‑连接件；231‑第一连接杆； 232‑第二连接杆；24‑声屏障立柱；25‑加劲肋。 具体实施方式[0036] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。 [0037] 请参阅图1和图2，图1为本申请实施例提供的一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置的截面示意图；图2为本申请实施例提供的一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置的正面示意图。 [0038] 在本实施例中，大跨度桥梁10沿第一方向延伸，其主梁翼端11上沿第一方向延伸地铺设有栏杆基石12，栏杆基石12具有相对的第一侧和第二侧，第一侧面向大跨度桥梁10内侧，第二侧面向大跨度桥梁10外侧，栏杆基石12上靠近第一侧的部位沿第一方向延伸地设置防撞护栏13。 [0039] 示例性的，防撞护栏13可以包括护栏立柱131和栏杆132，多个护栏立柱131沿第一方向延伸地间隔设置在栏杆基石12上靠近第一侧的部位；栏杆132沿第一方向延伸地设置在多个护栏立柱131面向大跨度桥梁10内侧的侧壁上。 [0040] 而声屏障装置20可以包括声屏障底座21和声屏障本体22。 [0041] 示例性的，声屏障底座21可以沿第一方向延伸地设置在栏杆基石12上，且与防撞护栏13连接。 [0042] 示例性的，声屏障本体22可以沿第一方向延伸地设置在声屏障底座21上靠近第二侧的部位，且声屏障本体22与栏杆基石12之间的角度非垂直，且向大跨度桥梁10外侧倾斜。 [0043] 在本实施例中，声屏障装置20还可以包括连接件23，连接件23连接在声屏障本体22与防撞护栏13之间。这样可以保证声屏障装置20安装的稳定性和可靠性。 [0044] 在本实施例中，声屏障装置20还可以包括声屏障立柱24。多个声屏障立柱24可以沿第一方向延伸地间隔设置在声屏障本体22的顶端，且声屏障立柱24与声屏障本体22之间呈钝角，声屏障立柱24向大跨度桥梁10内侧倾斜。通过间隔设置声屏障立柱24，有利于利用声屏障立柱24对声屏障本体22的连接进行加固。 [0045] 在本实施例中，针对每一个声屏障立柱24，该声屏障立柱24与声屏障本体22的夹角之间设有加劲肋25。而连接件23则可以包括第一连接杆231和第二连接杆232，第一连接杆231连接在加劲肋25与防撞护栏13之间，第二连接杆232连接在声屏障本体22与防撞护栏13之间。这样可以有效加固声屏障本体22设置的稳定性，保证在大跨度桥梁10上安装的声屏障装置20的质量。 [0046] 示例性的，在防撞护栏13包括护栏立柱131和栏杆132时，第一连接杆231可以连接在加劲肋25与护栏立柱131之间，第二连接杆232连接在声屏障本体22与护栏立柱131之间。 [0047] 在本实施例中，声屏障立柱24与声屏障本体22的夹角为120°。这样可使声屏障立柱24对声屏障本体22的加固作用更好地发挥。 [0048] 在本实施例中，在抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置20应用于大跨度桥梁10的修建过程时，声屏障底座21可以选用具有通孔的底座，该通孔的形状尺寸与防撞护栏13在栏杆基石12上截面的形状尺寸一致。这样可以在大跨度桥梁10的修建过程中，使声屏障本体22与防撞护栏13使用同一底座，保证声屏障装置20安装的稳定性和质量。 [0049] 在本实施例中，在抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置20应用于大跨度桥梁10的修建过程或改造过程中时，声屏障底座21可以选用具有半包围式开口的底座，该半包围式开口的尺寸与防撞护栏13在栏杆基石12上截面的尺寸一致。 [0050] 由于成桥状态的大跨度桥梁10，其防撞护栏13已经建成，选用具有半包围式开口的声屏障底座21，这样可以将其应用在成桥改造过程中，保证声屏障装置20安装的稳定性和质量。 [0051] 在本实施例中，声屏障本体22与栏杆基石12之间的角度可以为108°。声屏障本体22与栏杆基石12之间的角度设置为108°，可以使得声屏障装置20的效果(抑制了主梁涡振响应、抑制主梁断面的涡激共振等)最大化。 [0052] 因此，本方案中的抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置20(可以理解为折线型声屏障)改变了主梁断面所受的气动力，减弱了主梁断面尾流区旋涡脱落的强度，从而成功地抑制了主梁涡振响应，解决了采用直线型声屏障的主梁断面会发生涡振的技术难题。并且，本方案提供的声屏障装置20(折线型声屏障)，除降噪与环保功能外，还可以抑制主梁断面的涡激共振。以及，传统的直线型声屏障的主梁断面发生涡振时，需要额外安装气动措施，例如导流板、抑流板、气动格栅等。而本方案的声屏障装置20(折线型声屏障)，无需再增添额外的气动控制措施，更加经济适用。 [0053] 为了验证本方案的抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置20应用效果，本方案还提供一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置20试验方法。该方法可以为： [0054] 采用有限元建模方法对大跨度桥梁进行成桥状态下结构动力特性分析，得到在成桥状态下全桥不同阶次的固有频率；进行两自由度主梁成桥状态断面节段模型风洞试验，安装声屏障装置20，对声屏障装置20在0°、+3°、‑3°风攻角下，主梁竖向位移与扭转位移响应进行测量，其中，风向垂直于主梁断面，试验过程中模型竖向振动与扭转振动的阻尼比为0.727％；测量设置声屏障装置20的主梁断面在‑12°～12°风攻角范围内，间隔为1°、试验风速为7m/s时，断面的阻力系数、升力系数以及力矩系数。 [0055] 具体的，为了体现出安装传统的直线型声屏障与安装本方案的折线形声屏障之间的差异，可以采用以下方式进行试验： [0056] 首先，进行连续梁桥(大跨度桥梁)的成桥状态下结构动力特性分析：以山西临猗黄河大桥主桥结构成桥状态为例，采用有限元建模方法进行成桥状态下结构动力特性分析，得到在成桥状态下全桥不同阶次的固有频率。 [0057] 而后，可以对设置传统直线型声屏障的主梁成桥断面通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)进行静三分力计算，得到设置直线型主梁断面的气动三分力。 [0058] 之后，再进行两自由度主梁成桥状态断面节段模型风洞试验(风向垂直于主梁断面)，分别安装传统直线型声屏障与折线型声屏障，研究不同类型声屏障对主梁断面的涡振性能的影响。 [0059] 考虑到不同风攻角的影响，可以分别对两类不同类型声屏障在0°、+3°、‑3°风攻角下，主梁竖向位移与扭转位移响应进行测量。试验过程中模型竖向振动与扭转振动的阻尼比为0.727％。 [0060] 试验结果表明，安装直线型声屏障主梁断面在0°与+3°风攻角下主梁竖向位移超过规范限值0.0511m，而安装折线型声障主梁断面在所有风偏角下主梁竖向位移均未超过规范限值，因此针对需要安装声屏障的主梁断面推荐使用折线型声屏障来抑制主梁的涡振。 [0061] 为进一步研究折线型声屏障对主梁断面气动力的影响，进行了主梁节段模型气动力系数测试风洞试验。测量设置折线型声屏障的主梁断面在‑12°～12°风攻角范围内，间隔为1°、试验风速为7m/s时，断面的阻力系数、升力系数以及力矩系数，以进一步研究折线型声屏障对主梁气动力的影响。 [0062] 直线型声屏障的测试结果分别如图3和图4所示，其中，图3为直线型声屏障主梁竖向位移根方差的示意图；图4为直线型声屏障主梁扭转位移根方差的示意图。 [0063] 折线型声屏障的测试结果分别如图5和图6所示，其中，图5为折线型声屏障主梁竖向位移根方差的示意图；图6为折线型声屏障主梁扭转位移根方差的示意图。 [0064] 而折线型声屏障主梁断面静三分力系数的示意图如图7所示。 [0065] 基于以上实验结果，可知： [0066] 主梁断面采用传统直线型声屏障时，主梁易发生涡激共振现象，且涡振幅值超过规范限制。而采用本方案提供的抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置20(即折线型声屏障)可以有效抑制主梁的涡激共振。折线型声屏障改变了主梁断面所受的气动力，减弱了主梁断面尾流区旋涡脱落的强度，从而成功地抑制了主梁涡振响应，解决了采用直线型声屏障的主梁断面会发生涡振的技术难题。 [0067] 其次，与传统的声屏障(直线型声屏障)的使用目的不同，传统声屏障主要作用是减轻交通噪声，而折线型声屏障除降噪与环保功能外，还可以抑制主梁断面的涡激共振。 [0068] 再者，安装传统的直线型声屏障的主梁断面发生涡振时，需要额外安装气动措施，例如导流板、抑流板、气动格栅等。安装额外的气动措施会增加建设成本，影响桥梁整体的美观性。而安装折线型声屏障造型美观，且无需再增添额外的气动控制措施，更加经济适用。 [0069] 综上所述，本申请实施例提供一种抑制大跨度桥梁主梁涡激共振的声屏障装置及方法，声屏障装置20(可以理解为折线型声屏障)改变了主梁断面所受的气动力，减弱了主梁断面尾流区旋涡脱落的强度，从而成功地抑制了主梁涡振响应，解决了采用直线型声屏障的主梁断面会发生涡振的技术难题。并且，本方案提供的声屏障装置20(折线型声屏障)，除降噪与环保功能外，还可以抑制主梁断面的涡激共振。以及，传统的直线型声屏障的主梁断面发生涡振时，需要额外安装气动措施，例如导流板、抑流板、气动格栅等。而本方案的声屏障装置20(折线型声屏障)，无需再增添额外的气动控制措施，更加经济适用。 [0070] 在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。 [0071] 以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。 |
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