大跨桥梁抗风水下阻尼系统技术方案

一种大跨桥梁抗风水下阻尼系统，其特征是，该系统为：在大跨桥梁的加劲梁上或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，该阻尼构件在水平面上的投影面积Ａ↓［０］与其在任何垂直于水平面的平面上的投影面积Ａ↓［ｘ］满足关系：Ａ↓［０］≥３Ａ↓［ｘ］。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及桥梁工程，具体是指大跨桥梁抗风水下阻尼系统。目前的大跨桥梁颤振控制研究主要有结构措施、空气动力学措施和机械阻尼 措施三个方向。结构措施方面，主要做法是尽量采用抗扭刚度较大的加劲梁， 如钢桁梁、钢箱梁等，以及设置交叉吊索系统等；空气动力学措施的一般做法 有调整加劲梁的气动外形、设置中央稳定板及中央开槽等；机械阻尼措施的工 程应用主要通过安装调谐质量阻尼器来提高桥梁结构阻尼。大量的工程实践证 实了这些研究在有效控制大跨桥梁风动稳定性方面的积极意义。随着杭州湾大桥等跨海工程的成功建设，21世纪的国际桥梁工程已经进入 跨海连岛工程的新时期。在21世纪上半叶，规划中的欧亚博斯普鲁斯海峡第三 通道、中国的琼州海峡通道及舟山连岛工程等一大批跨海工程将有可能付诸工 程实践。为避开海洋超深水基础施工的困难，超大跨桥梁成为必然的选择。而 随着桥梁跨度的增大，桥梁结构刚度急剧减弱，这使风致振动特别是颤振稳定 性对桥梁安全性的影响更加重要。再加上来自海上台风的威胁，未来超大跨跨 海大桥的建设将必然面临更高的抗风稳定性要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种大跨桥梁抗风水下阻尼系统，该系统的阻尼构件能在桥梁加劲梁发生竖向振动时在水 中发生相应振动，由此耗散巨大能量并产生巨大阻力来抑制加劲梁振动，从而提高桥梁在风荷载作用下的稳定性；它可充分利用天然水资源，实施大规模廉 价而又功能强大的的阻尼措施。本专利技术的技术方案是，所述大跨桥梁抗风水下阻尼系统为在大跨桥梁(如 悬索桥、斜拉桥)的加劲梁或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，该阻尼构件在水平面上的投影面积A。与其在任何垂直于水平面的平面上的投影 面积Ax满足以下关系，A。^3Ax。如A。二10Ax ， A。二20Ax ， A。二100Ax等。以下对本专利技术做出进一步说明。本专利技术所述在大跨桥梁(如悬索桥、斜拉桥)的加劲梁或主缆上设置用吊 索拉住并浸没在水中的阻尼构件，即是使所述吊索的一端与桥梁的加劲梁或主 缆连接而另一端连接所述阻尼构件。所述阻尼构件是指在水平面上的投影面积 Ao大于或等于其在任何垂直于水平面的平面上的投影面积Ax的三倍的构件。如 水平薄板即是其中的一种。该阻尼构件的重力大于浮力而可浸没在水中。本专利技术的主要工作原理是，借助桥梁结构外部作用(桥梁加劲梁振动时带 动大面积阻尼构件在水中运动时产生的巨大阻力)抑制桥梁加劲梁的振动，大 大增大桥跨系统阻尼，从而大幅提高大跨柔性桥梁的颤振稳定性，较好地解决 大跨桥梁在风作用下的稳定性问题，并有可能较大程度地减小大跨桥梁建设的 造价，取得较好的经济效果。本专利技术的技术方案已经在湖南大学风工程实验研究中心HD-2号风洞第一 试验段得到试验检验。试验以某特大悬索桥为背景，开展了扭弯频率比分别为3.0、 2.5、 2.0和1.5四种情况下的节段模型颤振试验研究，其中每种情况都进行了设置抗风水下阻尼系统前后的试验对比。试验结果表明抗风水下阻尼 系统能大幅提高不同扭弯频率比下悬索桥的颤振临界风速；其抗风减振效果， 与阻尼构件的面积分布率(所谓面积分布率是指阻尼构件在水平面上的总投影 面积与桥面总面积的比值)密切相关，且成单调递增关系，面积分布率越大， 效果越明显。试验桥梁的扭弯频率比为3. 0,其采用的抗风措施为"设置分离式中央稳定 板上稳定板高0.5m、下稳定板高lm，并辅之以封槽"的气动措施，其颤振检验 风速为51.5m/s。试验测得该桥在0°风攻角情况下的实桥颤振临界风速为 70.65 m/s。去掉该大桥的气动措施后，节段模型颤振风洞试验测得的在0°风攻角情况 下，换算到实桥后的颤振临界风速结果，见下表<table>table see original document page 5</column></row><table>表注表中"开孔率"是指阻尼构件开孔面积与阻尼构件面积的比值;表中ft/fh的是指桥梁的扭弯频率比。通过对试验结果进行分析，不难发现1. 在设置抗风水下阻尼系统后，各种扭弯频率比情况下桥梁的颤振临界风速都有大幅提高。举阻尼构件面积分布率为10.82%、开孔率为0%的情况为例，扭 弯频率比为3.0、 2.5、 2.0和1.5时，与不设阻尼措施前相比，桥梁的颤振临 界风速增幅分别达127. 5%、 122. 4%、 56. 6%和140. 1%;2. 对扭弯频率比ft/fh=3.0的试验大桥实桥，阻尼构件面积分布率仅为 10.82%而不设中央稳定板的阻尼措施，测得的最低颤振临界风速达90. 7 m/s， 远远超过既不设中央稳定板也不设水下阻尼系统情况下的40.4m/s，增幅达 124. 5%，远远超过要求的51. 5m/s的颤振检验风速，增幅达76. 1%，也远远超 过设置中央稳定板、但不设置抗风水下阻尼系统情况下的70.65 m/s，增幅达 28.4%，效果非常明显。通过以上分析，可以得出以下结论(1) 设置抗风水下阻尼系统后，能大幅提高不同扭弯频率比情况下大跨桥 梁的颤振临界风速，只需较小的分布规模就能取得很好的抗风减振效果；水下 阻尼系统不失为一种有效的抑制颤振办法；(2) 抗风水下阻尼系统的抗风减振效果，与阻尼构件的面积分布率密切相 关，且成单调递增关系，阻尼构件面积分布率越大，抗风减振效果越好；不难 预测，当阻尼构件面积分布率达到一定规模，就可能消除颤振失稳对大跨度桥 梁带来的灾难；(3) 在桥梁扭弯频率比相同的情况下，与空气动力学措施相比，抗风水下 阻尼系统的抗风性能有一定的优势。本专利技术技术方案主要适用于大跨度柔性桥梁。对跨海桥梁，建设超大跨度(尤其是3000米以上)的一个重要原因是为了避开海洋深水基础，通航要求往 往比较容易满足，在这种情况下，只要能保证一定的通航宽度，在桥跨的其余 位置可以根据需求设置抗风水下阻尼系统；特别是，对于目前专家提出的长达 120多公里的台湾海峡通道等庞大工程，只需在关键地段设置几个通航道后， 其他位置基本上可以不考虑通航要求，可以根据需要设置抗风水下阻尼系统。 本专利技术技术方案中的阻尼构件可重点考虑设置在水流速比较小的水域，根据海 洋水速从水面往下呈指数递减的规律，可考虑在表面水流速较大的海峡将阻尼 构件深入到水流较小的水下。通过在桥梁结构上合理设置抗风水下阻尼系统，能使其更容易满足抗风稳 定性要求，并能够有效减弱桥梁的设计，使之更符合经济性要求。由以上可知，本专利技术为一种大跨桥梁抗风水下阻尼系统，它可充分利用天 然水资源形成大规模廉价而又功能强大的的阻尼措施，通过桥梁结构外部作用 ——阻尼构件能在桥梁加劲梁发生竖向振动时在水中发生相应振动，由此耗散 巨大能量并产生巨大阻力来抑制加劲梁振动，从而能较大程度提高桥梁在风荷 载作用下的颤振稳定性，并且能有效地抑制涡激振动。附图说明图1是本专利技术一种实施例的阻尼系统沿桥纵向立面结构示意图(吊索一端 同加劲梁连接)；图2是图1所示阻尼系统沿桥横向断面结构示意图；图3是本专利技术另一种实施例的阻尼系统沿桥纵向立面结构示意图(吊索一端同主缆连接)；图4是图3所示阻尼系统沿桥横向断面结构示意图5是本专利技术另一种实施例的阻尼系统结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大跨桥梁抗风水下阻尼系统，其特征是，该系统为：在大跨桥梁的加劲梁上或主缆上设置用吊索拉住并浸没在水中的阻尼构件，该阻尼构件在水平面上的投影面积Ａ↓［０］与其在任何垂直于水平面的平面上的投影面积Ａ↓［ｘ］满足关系：Ａ↓［０］≥３Ａ↓［ｘ］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李有为，
申请(专利权)人：李有为，
类型：发明
国别省市：43