[发明专利]用于抑制大跨度桥梁涡振的风嘴纵向最优设计长度计算方法

说明书

本发明公开了用于抑制大跨度桥梁涡振的风嘴纵向最优设计长度计算方法，包括确定大跨度桥梁的主梁无风嘴断面、主梁安装风嘴断面；分别对主梁无风嘴断面、主梁安装风嘴断面进行节段模型风洞试验并识别气动参数；确定任意布置长度下桥梁的涡振幅值，通过遍历计算各布置长度下的涡振响应，得到风嘴布置长度0～100％的涡振响应；确定大桥的抑振效果；最后根据抑振效果确定最优布置长度。使用本发明计算的风嘴最优纵向布置长度，相较于常规桥梁设计的全长布置，能够大幅节省用钢量，且抑振效果显著；本发明提供的计算方法所需断面气动数据均来自于常规的节段模型试验，避免了花费高昂的全桥气弹试验，是对节段模型风洞试验结果数据的二次利用。

技术领域

本发明涉及用于抑制大跨度桥梁涡振的风嘴纵向最优设计长度计算方法，属于土木工程桥梁风致振动计算与抗风设计领域。

背景技术

桥梁的涡激振动是一种发生于低风速下的限幅振动，近年来我国虎门大桥、武汉鹦鹉洲大桥等多起桥梁涡振事件表明，大幅度的涡振会导致桥梁交通中断并引起公众恐慌心理。因此避免或抑制涡激振动具有重要的工程意义与社会价值。

目前，大跨度桥梁涡振的抑振方法主要是通过在主梁两侧横向增设风嘴，从而优化主梁断面的气动外形来达到抑振效果。目前工程中大多采用风嘴沿主梁纵向通长布置的方案，即在桥梁全长范围均增设风嘴，如南京仙新路长江大桥，鳊鱼洲长江大桥等。由于风嘴多采用钢材制造，且宽度可达数米，若桥梁全长均设置风嘴，工程造价昂贵。实际上，由于主梁模态振型不均匀和涡振对振幅敏感的特点，全跨布置风嘴是不必要的，仅需在某阶振型峰值附近布置即可达到显著抑振效果。但在工程上如何计算纵向最优布置长度目前未有报道。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明旨在提供用于抑制大跨度桥梁涡振的风嘴纵向最优设计长度计算方法。本发明要解决的技术问题是如何准确计算出桥梁风嘴沿纵向的最优安装长度，从而在达到抑振效果的同时，显著降低风嘴的工程造价。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：用于抑制大跨度桥梁涡振的风嘴纵向最优设计长度计算方法，包括以下步骤：

步骤S10、确定大跨度桥梁的主梁无风嘴断面、主梁安装风嘴断面；

步骤S20、分别对主梁无风嘴断面、主梁安装风嘴断面进行节段模型风洞试验并识别气动参数；

步骤S30、确定任意布置长度下桥梁的涡振幅值，通过遍历计算各布置长度下的涡振响应，得到风嘴布置长度0～100％的涡振响应；

步骤S40、根据涡振幅值确定大桥的抑振效果；

步骤S50、最后根据抑振效果确定最优布置长度。

进一步的技术方案是，所述步骤S20中使用刚性节段模型模拟主梁气动特性，使用弹性悬挂机构模拟结构动力特性，在所研究的风速区间进行试验并使用激光位移计测量模型响应，通过试验识别桥梁断面的涡激力气动参数。

进一步的技术方案是，所述步骤S20中通过衰减-共振法或增长-共振法或自由衰减法试验识别其气动参数。

进一步的技术方案是，所述步骤S30的具体过程为：

步骤S31、通过下式计算得到任意布置长度下桥梁的涡振幅值；

M＝[φ]^T[m][φ]

式中：M为主梁的广义质量；[φ]为振型向量，[m]为主梁质量阵；ξ(t)为广义坐标，D为特征长度；ω为振动频率；ζ_m为结构阻尼比；ρ为空气密度；U为来流风速；l为单元长度；为无量纲幅值；K为折算频率；为气动参数乘积，是折算频率K与无量纲幅值的函数；