[发明专利]一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置

说明书

本发明属于桥梁风致振动控制研究技术领域，提供了一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置，是将浸没于水中、带有多个配重块的大面积垂荡网布利用绳索悬吊在主梁下方。桥梁风致振动时，带动该装置在水中运动，装置重力及水体对网布产生巨大的附加质量力和附加阻尼力对主梁做负功，消耗桥梁振动能量，高效抑制其大幅振动。装置均采用轻质化、标准化构件，方便安装、拆卸、运输、收纳，具有安全可靠、经济实用的优势。

技术领域

本发明属于桥梁风致振动控制研究技术领域，涉及一种抑制跨海桥梁颤振的垂荡网布装置。

背景技术

现代桥梁正朝着更大跨度、更纤柔的方向发展，国内外已建许多大跨度跨海桥梁，未来将建造更多、更大跨度的跨海桥梁。大跨桥梁结构刚度和阻尼相对较小，对风荷载较为敏感。海上风速高，持时长，对桥梁抗风安全性带来严峻挑战。大跨桥梁风致大幅极限环振动和发散性颤振需要杜绝。桥梁颤振控制措施主要包括气动措施、结构措施及机械措施。针对大跨桥梁颤振传统的控制措施存在的一些不足，发明人提出一种适用于抑制大跨度跨海桥梁颤振的垂荡板阻尼器装置，即在桥梁下方悬挂浸没于水中的垂荡板，在其振动时借助水体提供巨大的附加质量和附加阻尼，达到抑制桥梁大幅颤振的目的。但该装置仍存在一些不足：(1)为了保证提供足够大的水体阻力，需要尺寸足够大的垂荡板，为保证垂荡板的刚度，需要增大板厚或者设置更大尺寸和加劲肋或桁架体系，这会大幅增加工程造价，降低了其实用性和经济性；(2)装置体量较大，不便拆卸安装，长期置于梁底，存在安全隐患；(3)为了降低工程造价，需要尽量减轻垂荡板质量，一方面垂荡板上升时自重做功较小，另一方面由于水的阻力作用下沉速度较慢，难以与主梁向下运动同步，因此无法保证在主梁向上运动半个周期内都做负功，进而导致耗能较少，控制效率较低。针对以上不足，本发明对其在几个方面进行改进和优化，使得措施构造更简单、安装更方便、造价更低、控制更高效，具有其相对优势和特色。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对大跨度跨海(跨江或部分深水湖)桥梁颤振控制的需要，提出一种悬挂在桥梁下方浸没于水中、带有多个配重块的垂荡网布装置。桥梁风致振动时，带动该装置在水中运动，该装置随主梁向上运动时会产生阻力，对主梁做负功，消耗桥梁振动能量，抑制其大幅振动。具体工作过程为：当主梁向上运动时，带动垂荡网布装置在水中向上运动，装置受到与运动方向相反(竖直向下)的阻力，主要包括：装置自重、水体的附加阻尼力及附加质量力，这些力在装置上升过程中对桥梁均做负功，消耗桥梁振动的能量；当主梁向下运动时，垂荡网布装置在重力、浮力及水阻力作用下向下运动；如果运动速度小于主梁运动速度，则装置不会对主梁产生拉力，也不会对主梁做正功；反之，在此下降过程，如果装置与主梁之间存在拉力，则会给主梁输入能量，增大其振幅；由于网布较轻，在自重和水阻力作用下会下沉很慢，虽然不会对主梁做正功，但是连接主梁与网布的绳索会松弛，主梁振动到最低处，再上升相当长一段距离，绳索才会再次被拉紧，势必就会降低消耗能量的效率。因此，最理想的情况是使装置与主梁的下降速度完全同步，随后进行下一周期的运动，装置立即发挥作用。因此，需要在装置上配重，使得尽可能接近以上理想目标。这可以很方便地通过添加廉价的混凝土配重块来实现增重目标，而且在上升过程中配重块因其重力也可以增加耗能，可以尽可能减轻装置其他构件的重量以降低工程造价。下降过程配重块主要用于加速网布的下降速度，力争做到网布与主梁接近同步下降，绳索既不过度松弛，也不受力过大，确保下一周期控制效率，可以做到一举两得。需要说明的是，由于主梁振幅是变化的，因此无法设计出合适的配重来保证在任何条件下网布与主梁下降都是同步的。配重过大，就可能会导致绳索的索力较大，为主梁输入能量；配重过小，就可能会导致绳索松弛过大，主梁上升时不能及时为其消耗能量。配重可以根据主梁振动频率、振幅、网布质量、尺寸等参数进行优化设计。采用该装置，可以更为方便、高效避免桥梁颤振发生，或者大幅提高颤振临界风速及抗风安全性。

本发明的技术方案：