一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障制造技术

本发明专利技术提供的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，包括：底座、柔性骨架、柔性面板和刚性尖端；所述柔性骨架下端与所述底座连接，上端与所述刚性尖端连接；所述柔性面板包裹在所述柔性骨架的外部；所述柔性面板上设置有贯穿所述柔性面板的左右侧壁的透风管。在侧向风的作用下，本发明专利技术提供的风屏障被动的向背风一侧发生偏转，以此改变其自身和桥梁结构的气动外形，从而实现导流和改善桥梁的安全性；在风屏障变形的过程中，风屏障的透风率一直保持最优透风率，进而保证了不同风速下行车的安全性和舒适性。因此，本发明专利技术提供的风屏障能同时保障强侧风作用下桥梁结构和桥上行车的安全。

【技术实现步骤摘要】
一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障
本专利技术涉及桥梁工程领域，特别涉及一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障。
技术介绍
随着我国公路和铁路交通网络的不断发展和完善，建设在强风地区的桥梁数量不断增长。在强风作用下，桥梁本身可能出现导致结构毁坏的颤振、危及行车安全的涡激振动和抖振等风致振动。此外，强侧风可能对桥面上的行车安全造成很大的威胁。强侧风可能会使桥上行驶中的汽车发生侧滑和侧倾以及行驶的列车发生脱轨和倾覆等安全事故。因此，需要采取有效措施保证强风作用下桥梁结构和桥上行车的安全。目前，设置风屏障是提高强侧风作用下行车安全的主要措施。风屏障是抵挡侧风的屏障结构，为桥上车辆提供一个相对低风速的行驶环境。既有风屏障形式多种多样，按照外形能否变化可以分为固定式风屏障和可变形风屏障。固定式风屏障具有不变的透风率和外形，且可能对桥梁本身的抗风性能及受力状态产生不利影响，如增大桥梁气动阻力和产生不利于行车的风致振动等。相对而言，可变形风屏障则可通过改变风屏障的外形来改善桥梁的抗风性能和受力状态。既有的可变形风屏障可分为主动式和被动式两类。主动式可变形风屏障系统需要消耗电能。既有的被动式可变形风屏障一般包含刚性立柱和立柱间的多个弹性可变形或刚性旋转的横向挡风板/条/翼。在外形改变的同时，透风率也随之变化。由于透风率和外形之间的复杂耦合，桥梁本身和风屏障后方的流场变化十分复杂。因此，通过既有的被动式可变形风屏障同时实现桥梁结构和行车抗风安全的最优控制的难度大。
技术实现思路
本专利技术所提出的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障是一种被动气动措施，可以根据来流风的特性，被动自适应调整风屏障的整体外形。具体地，风越强，风屏障的顺风侧弯变形越大，风屏障-桥梁的气动外形越接近于流线型气动外形，导流作用越明显，从而自适应改善桥梁的气动外形和受力状态。其仿生依据是：树在不同强度侧风作用下产生不同的侧向弯曲变形而自适应导流。风屏障在侧风作用下，一方面，使一部分气流可以沿着向背风一侧弯曲的风屏障的流线型表面绕过风屏障结构，降低了风屏障和桥梁结构所受的气动阻力，从而提高了桥梁主体结构的稳定性和安全性。另一方面，在风屏障向背风一侧弯曲的过程中，风屏障的透风率基本保持最优透风率不变，保证了不同风速下车辆的最优运行风环境，从而始终保证了行车的安全性和舒适性。本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，包括：底座、柔性骨架、柔性面板和刚性尖端；所述柔性骨架的下端与所述底座连接，上端与所述刚性尖端连接；所述柔性面板包裹在所述柔性骨架的外部；所述柔性面板上设置有贯穿所述柔性面板的左右侧壁的透风管。在侧向风的作用下，本专利技术提供的风屏障被动地向背风一侧发生偏转，被动自适应调整风屏障的整体外形，以此改变其自身和桥梁结构的气动外形，从而实现导流和改善桥梁的气动外形和受力状态，在风屏障顺风侧向弯曲的过程中，风屏障的透风率一直保持最优透风率不变，进而在保证不同风速下车辆的最优运行风环境的同时，降低了风屏障和桥梁结构所受的气动阻力。因此，同时提高了强侧风作用下桥梁结构和桥上行车的安全。在其中一个实施例中，所述柔性骨架包括柔性柱和刚性肋梁，数个所述刚性肋梁相互对称的设置在所述柔性柱的左、右侧壁上，所述柔性柱的下端与所述底座上端面的中心处连接，上端与所述刚性尖端下端面的中心处连接，所述柔性面板包裹在所述刚性肋梁的外部。在其中一个实施例中，所述柔性柱的厚度由所述柔性柱的下端至其上端逐渐变小，所述柔性柱的轴向刚度大于其横向刚度；优选的，在正常天气下，柔性柱的轴向刚度能够保持其轴向方向不发生变形，而柔性柱的横向刚度却能使得其可以根据来流风的特性，被动自适应调整风屏障的整体外形。在其中一个实施例中，数个所述透风管按照矩形阵列的排列方式分布在所述柔性面板上，所述透风管水平设置，所述透风管采用刚性材料制成，所述柔性面板由高弹性材料制成，经过预拉伸包裹在所述刚性肋梁的外部，预拉伸处理是为了提高柔性面板施工后的平面外刚度和减小屈曲。在其中一个实施例中，所述柔性面板与所述透风管的连接处通过胶水粘接。在其中一个实施例中，所述柔性柱通过螺栓与所述底座连接。在其中一个实施例中，所述刚性尖端的下端设置有外径小于其下端面外径的台阶，且所述台阶位于所述柔性面板的内部。在其中一个实施例中，所述柔性面板与所述台阶之间填充有粘胶。在其中一个实施例中，所述刚性尖端的下端面与所述台阶之间的高度差等于所述柔性面板的厚度。与现有技术相比，本专利技术提供的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障具有以下优点：首先，与固定式风屏障相比，固定式风屏障一旦安装结构便完全固定不可调节，而本专利技术提供的可变形的风屏障，可以根据来流风的特性，进行姿态的调整，使一部分气流可以沿着向背风一侧弯曲的风屏障的流线型表面绕过风屏障结构，自适应降低了风屏障和桥梁结构所受的气动阻力，从而提高了桥梁主体结构的稳定性和安全性，也提高了车辆运行的安全性和舒适性；其次，与既有的主动式可变形风屏障相比，本专利技术提供的可变形风屏障是一种被动气动措施，不需要额外的能量供给，也没有复杂的机械措施，结构简单，可靠性高，更为安全、经济、可靠；再次，与既有的被动式可变形风屏障相比，本专利技术提供的可变形风屏障，在改变外形的同时，不必牺牲最优透风率，在风屏障向背风一侧弯曲的过程中，风屏障的透风率一直保持最优透风率不变，即也不存在变形导流和透风率耦合作用，保证了不同风速下车辆的最优运行风环境，从而始终保证了行车的安全性和舒适性。此外，侧风作用下，风屏障-桥梁的气动外形趋向流线形，使桥梁和风屏障后面的流场相对简单，有利于优化设计；最后，本专利技术提供的可变形风屏障是一种自适应结构，在不同风速下，风屏障的变形大小不同，因此，本专利技术提供的可变形风屏障可以很好地适应各种不同的风场，从而大大提高了其在实际保障强侧风作用下行车安全方面的自适应性。附图说明图1是本专利技术的风屏障的安装结构示意图；图2是本专利技术的风屏障变形前的结构示意图；图3是本专利技术的风屏障变形后的结构示意图；图中各标号为：1—底座，2—柔性骨架，21—柔性柱，22—刚性肋梁，3—柔性面板，4—刚性尖端，41—台阶，5—透风管。具体实施方式在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，包括：底座(1)、柔性骨架(2)、柔性面板(3)和刚性尖端(4)；/n所述柔性骨架(2)的下端与所述底座(1)连接，上端与所述刚性尖端(4)连接；/n所述柔性面板(3)包裹在所述柔性骨架(2)的外部；/n所述柔性面板(3)上设置有贯穿所述柔性面板(3)的左右侧壁的透风管(5)。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，包括：底座(1)、柔性骨架(2)、柔性面板(3)和刚性尖端(4)；
所述柔性骨架(2)的下端与所述底座(1)连接，上端与所述刚性尖端(4)连接；
所述柔性面板(3)包裹在所述柔性骨架(2)的外部；
所述柔性面板(3)上设置有贯穿所述柔性面板(3)的左右侧壁的透风管(5)。


2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，所述柔性骨架(2)包括柔性柱(21)和刚性肋梁(22)，数个所述刚性肋梁(22)相互对称的设置在所述柔性柱(21)的左、右侧壁上，所述柔性柱(21)的下端与所述底座(1)上端面的中心处连接，上端与所述刚性尖端(4)下端面的中心处连接，所述柔性面板(3)包裹在所述刚性肋梁(22)的外部。


3.根据权利要求2所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，所述柔性柱(21)的厚度由所述柔性柱(21)的下端至其上端逐渐变小，所述柔性柱(21)的轴向刚度大于其横向刚度。


4.根据权利要求2所述的一种用于桥梁结构和桥上行车抗风的仿生可变形风屏障，其特征在于，数个所述透风管(...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏晓军，伍浩，何旭辉，王子龙，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43