[发明专利]基于三维流动控制技术的大跨桥梁箱梁波浪形风嘴结构

说明书

本发明公开一种基于三维流动控制技术的大跨桥梁箱梁波浪形风嘴结构，能够减弱涡与结构之间的相互作用程度，控制结构涡振响应，将传统的沿桥梁纵向等截面箱梁变为变截面箱梁，风嘴沿箱梁纵向呈正弦波形布置，以凹凸不平的风嘴产生的竖向旋涡来破坏前缘涡及尾流涡的二维流动特性。展向正弦变化的波长范围为0.125‑0.5倍箱梁截面宽度，幅值范围为0.0125‑0.05倍箱梁截面宽度。本发明结构简单，控制原理清晰，能够很好地提高大跨度桥梁箱梁的风振稳定性。

技术领域

本发明涉及一种基于三维流动控制技术的大跨桥梁箱梁波浪形风嘴结构。

背景技术

大跨度桥梁因刚度和阻尼较小，极易在风的作用下产生风致振动，振动形式包括涡激振动，驰振，抖振，颤振等，其中涡激振动与颤振是最为常的自激振动。涡激振动是由气流流经桥梁结构时，结构尾缘处产生相互交替脱落的旋涡而引起的具有自激和强迫双重性质的一种限幅振动。与其他形式风致振动相比，涡激振动幅值相对较小，但其发生风速较低，常处于4-10m/s之间，易对行人行车安全造成影响，并引发桥梁构件的疲劳破坏。桥梁箱梁结构常出现的颤振是由于流场中钝体结构前缘处产生的前缘涡而引起的一种纯扭转或弯扭耦合的具有发散性质的自激振动。当风速超过临界风速时，箱梁结构阻尼低于气动负阻尼，结构不断从流场中吸收能量使得结构振动幅值不断增大，出现发散性质的大幅度振动，其一旦发生将使整个桥梁结构发生破坏。主跨为853.4米的塔科马大桥风毁事件使得大跨度桥梁风致振动现象得到人们的重视，桥梁风工程也成为一门独立的研究方向持续至今，可见风荷载对桥梁结构影响之大。

实际工程中，设计人员常通过改变箱梁结构几何外形来改变结构周围流场特性，进而起到结构振动控制效果，此方法即为被动气动控制措施。目前对涡激振动而言，实际工程中常用的被动气动控制措施包括导流板、整流罩等。然而导流板并不能很好的抑制大攻角情况下箱梁的涡激振动，同时若导流板处于边界层内，气流由于受到壁面粘滞的影响没有足够动量通过导流板，从而不能破坏尾流区的涡结构，也就达不到很好的抑制涡激振动的效果。针对颤振，实际工程中经常采用的气动控制措施包括中央稳定板、中央开槽等，目前中央开槽被认为是一种最为有效的控制措施，但对于外形较为钝化的箱梁断面可能起到反作用。颤振机理较为复杂，控制措施设置不当同样会弱化结构自身的颤振稳定性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对大跨度钢箱梁风致振动起控制作用的波浪形风嘴结构，将传统的等截面箱梁变为变截面箱梁，控制结构涡振响应，提高分离流颤振的临界风速。

本发明所采用的技术如下：一种基于三维流动控制技术的大跨桥梁箱梁波浪形风嘴结构，包括箱梁，箱梁两侧的风嘴沿箱梁纵向呈正弦波形布置。

本发明还具有如下技术特征：所述的正弦波长为箱梁截面宽度的0.125-0.5，幅值为箱梁截面宽度的0.0125-0.05。

本发明以波浪形凹凸不平的风嘴产生的竖向旋涡来破坏前缘及尾流的水平旋涡，进而减弱涡与结构之间的相互作用程度，控制结构涡振响应。对于颤振，波浪形前缘促使边界层转捩提前，进而延缓了前缘涡分离，提高分离流颤振的临界风速。本发明结构简单，能够很好地提高大跨度桥梁箱梁的风振稳定性。

附图说明

图1为纵向正弦波形式的波浪形风嘴结构整体示意图；

图2为纵向正弦波形式的波浪形风嘴结构俯视图；

图3为上表面测点平均压力系数；

图4为下表面测点平均压力系数；

图5为上表面脉动压力系数分布图；

图6为下表面脉动压力系数分布图。

其中1、箱梁波浪形风嘴，2、正弦波峰，3、正弦波谷。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。