[发明专利]一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置及其控制方法

说明书

本发明公开了一种桥梁颤振与涡振一体化控制装置及其控制方法，所述桥梁主梁包括两个沿中线对称的带外侧风嘴的多边形箱梁，所述控制装置包括可伸缩和转动的上下盖板和位于所述箱梁内部的动力装置，所述上下盖板安装在所述分体式箱梁相对面的内侧，所述上下盖板能相对于所述多边形箱梁伸缩和转动。解决了目前现有分体式桥梁结构中存在的不能同时控制颤振和涡振的技术问题，利用可伸缩盖板，可以根据来流风的特性进行调整，这种调整同时保证了大跨度桥梁的颤振稳定性和涡振性能。

技术领域

本发明涉及桥梁技术领域，具体来说，涉及一种能够提高分体式箱梁颤振与涡振稳定性的一体化控制装置及其控制方法。

背景技术

1940年，美国塔科马大桥(Tacoma Narrows Bridge)在微风时(8级风，风速约为19m/s)发生了此前从未见过的扭转振动，即桥面两侧周期性的交替高低起伏变化。随着跨中一侧主缆与吊杆连接处索夹的松弛，突然大桥主跨的半跨路面一侧被掀起来，引起侧向激烈的扭动，另半跨随后也跟着扭动。之后，振动幅度不断增大，最大扭转振幅达到约35°后，吊索被逐根拉断，最终桥面坍塌。事件发生后，很多世界著名学者对事故原因进行了分析研究，并取得广泛共识，将塔科马大桥的坍塌归结于由风引起的负阻尼驱动的分离流扭转颤振。自此之后，大跨桥梁的颤振控制研究成为所有桥梁设计者最为关心的问题之一。

桥梁颤振是一种毁坏性的自激发散振动，表现为流场与结构之间的相互作用，引起扭转振幅不断增大，直至风毁。主要是由于振动结构能够在流动的空气中不断吸收能量，而该能量又大于结构阻尼在振动中所耗散的能量。当气流经过流线型断面时，气流的流动速度主要影响或改变了流线型断面扭转和弯曲自由度之间的振幅以及相位关系，从而引起不同自由度之间的耦合振动和气动负阻尼，导致扭弯耦合颤振。当气流绕过钝体断面时，气流的流动速度主要影响或改变了钝体断面扭转自由度运动的振幅以及相位，从而引起扭转振动和气动负阻尼，导致扭转颤振。对于实际桥梁断面，均介于流线型和钝体之间，由于弯曲自由度的参与程度不同，颤振形态介于扭转颤振和耦合颤振之间。

涡激振动是大跨度桥梁在低风速易发的具有强迫和自激双重性质的非破坏性自限幅风致振动现象。日本东京湾通道桥(Trans-Tokyo Bay Bridge)、巴西里约尼泰罗伊大桥(Rio-Niteroi Bridge)和丹麦的大带桥(Great East Belt Bridge)都曾发生过严重的竖弯涡振。西堠门大桥在低紊流条件下，在风速区间为9m/s～11m/s的正交风作用下，也发生了明显的竖向涡振现象。尽管涡激振动不会像颤振或驰振那样导致发散，但由于是低风速下常易发生的振动，且振幅之大足以影响行车安全，甚至可能诱发拉索参数共振等其他类型致命的气动不稳定问题。

对于大跨度桥梁的颤振稳定性和涡振性能，我国《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01-2004)明确规定：在桥梁设计的使用年限内，在桥位所在区域可能出现的最大风速下，结构不应发生毁坏性的自激发散振动。结构非破坏性风致振动的振幅应满足行车安全、结构疲劳和行车舒适度的要求。对于抗风能力不能满足规范要求的桥梁结构，规范还规定：结构的抗风能力可通过气动措施、结构措施和机械措施予以提高。

分体式箱梁结构一般由两个沿中线对称的带风嘴的多边形箱形结构组成，两个多边形箱形结构之间存在间距，两个多边形箱形结构通过横向结构连接。分体式箱梁结构是一种重要的缆索承重桥梁颤振控制措施，并得到了广泛应用，中国西堠门大桥(中国第一跨，主跨1650m)、香港的昂船洲大桥(主跨1018m)和青马大桥(主跨1377m)就是采用这种断面形式。虽然这种形式的箱梁断面具有较好的颤振稳定性，但由于两个箱梁间空隙的存在，使得箱梁周围的流场结构异常复杂，旋涡脱落特性显著增强，从而加剧了主梁涡激振动。