[發明專利]一種拉索高階渦振的氣動控制裝置及方法

在審

• 申請號: 202010613719.8
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111636292A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 劉志文;沈靜思;李書瓊;陳政清
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: E01D19/00
• 分類號: E01D19/00;E01D19/16;E01D11/04
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙) 11491
• 代理人: 趙紅霞

本發明公開了一種拉索高階渦振的氣動控制裝置及方法，涉及大跨度橋梁工程拉索振動控制技術領域，解決了已有的控制拉索風雨振的小直徑螺旋線(d＝2?4mm)不能有效控制拉索高階振動響應；而阻尼器控制措施盡管可以控制拉索高階振動現象，但拉索高階振動會在常遇風速下發生，容易導致拉索阻尼器產生疲勞等問題，其技術方案要點是：包括拉索主體，所述拉索主體表面螺旋纏繞有兩個或三個螺旋肋；所述螺旋肋的肋體直徑為10?15mm；所述螺旋肋的螺距為拉索主體直徑的8?12倍，通過斜拉索表面纏繞肋體直徑較粗的螺旋肋，可有效控制拉索尾流區渦激力的相關性，從而有效控制拉索高階渦振。

技術領域

本發明涉及大跨度橋梁工程拉索振動控制技術領域，更具體地說，它涉及一種拉索高階渦振的氣動控制裝置及方法。

背景技術

隨著我國交通基礎設施建設的推進，跨越山區峽谷和海灣通道工程是當前和今后若干時期交通基礎設施建設的重點。大跨度斜拉橋是交通基礎設施建設中常用的橋型之一，國家交通基礎設施建設規劃中的重要通道工程對主跨1200-1500m的斜拉橋具有重大工程需求。隨著斜拉橋跨度的進一步增加，最長拉索長度將由目前的580m左右增加到750-800m左右，拉索長徑比(L/D，L為拉索長度，D為拉索外徑)將達到L/D＝3000-4000左右。超長拉索具有質量輕、剛度低、阻尼比小等特點，在風作用下容易發生風致振動現象，易引起行車者視覺恐慌、拉索阻尼器破壞和拉索錨固區疲勞等問題，嚴重時可能導致拉索斷裂，對橋梁結構安全造成隱患。

目前，國內外部分斜拉橋在運營期發生了較為明顯的高階振動現象。(1)Lank in等實測到美國阿拉巴馬州的Cochrane Bridge拉索發生了明顯的渦激振動現象，振幅遠小于拉索風雨振振幅，且振動卓越模態為第8、9階。(2)Lynch,Main等觀測到美國休斯頓的Fred Hartman Bridge發生了多次較為明顯的振動，在中等風速且無雨條件下發生了高頻、低幅振動，加速度達到2.0g，振動卓越模態為第6、7階，部分拉索護套被破壞(Lynch,1999；Main and Jones,2000；Zuo D.,et al.,2008,2010)。(3)日本多多羅大橋拉索風致振動現場實測結果表明，當拉索索端不設阻尼器時，拉索渦激振動會頻繁發生，且起振風速較低，當風速為5.0m/s左右時拉索振幅最大，幅值約為2.5cm左右；在拉索錨固區內填充彈性材料或高阻尼橡膠后，拉索振幅降低到原來的1/3左右。(4)梁柱等對深圳灣大橋在臺風作用下的風致振動響應進行了實測，結果表明：臺風期邊跨短索(設置了控制拉索風雨振的小直徑螺旋線，而未安裝外置阻尼器)發生了明顯的風致振動現象，最大加速度響應幅值達12.5m/s²，對應的振動頻率為13.0Hz；主跨最長拉索(設置了控制風雨振的螺旋線、安裝了外置阻尼器)也發生了相對較大的風致振動現象，最大振幅值達0.75m/s²，對應的卓越振動頻率為10-12.5Hz，為多模態振動現象(梁柱等，2009)。(5)儲彤以金塘大橋為背景進行了斜拉索風致振動響應實測研究。結果表明：該橋CAC20號拉索加速度最大值達到6.5m/s²，且該索發生了多階振動，不同時段拉索振動頻率不同，主要為5-15Hz(儲彤，2013)。(6)Argentini T.等對荷蘭埃因霍芬一座環形橋梁拉索風致振動響應進行了現場實測研究，該橋共有20根拉索，拉索長度均為L＝53m，直徑為D＝50mm。實測表明當風速為V＝3.0m/s、垂直于風向的拉索會發生明顯渦激振動，對應拉索振動頻率為10.94Hz，位移為1.60mm(Argentini T.,etal.,2013)。(7)等對比利時一座254米高拉線通訊塔的拉索進行風致振動現場實測研究，該拉線塔共有5層拉索，每一層拉索由4根拉索組成，共20根拉索。實測表明：該拉線塔第3、4、5層拉索發生了明顯的渦激振動現象，面內振動響應明顯大于面外振動響應；第5層拉索的最大加速度響應峰-峰值達到1.0g，圖像視頻記錄顯示拉索振動幅值約為幾毫米(V.and Andrianne T.,2017)。(8)Urushadze S.等對一座跨度為50m+50m的人行斜拉橋拉索振動響應進行了現場實測，研究發現當風速較低(V＝1.75-2.0m/s)且垂直于主梁時，該橋的第8、9號拉索發生了明顯的高階渦振現象，對應振動階數為第6,7和8階(Urushadze S.,et al.,2018)。(9)Ge等進行了蘇通大橋拉索振動研究，發現部分拉索在風速為4-8m/s的范圍內會發生9.5-10Hz高階渦激振動現象。(10)劉志文等以蘇通大橋為依托開展了超長拉索高階振動現場實測研究，發現部分拉索在橋面高度處風速4-10m/s、風向角為50-100°為存在高階振動現象。拉索高階振動對應卓越頻率分別為9.03Hz和12.3Hz，分別對應第34階和第47階，且面內、面外振動頻率一致，面內振動響應明顯大于面外振動響應(劉志文等，2019；沈靜思等，2019)。(11)另外，荊岳長江公路大橋在運營期部分拉索發生了高階振動現象。(12)2019年9月嘉魚長江公路大橋在通車前拉索已纏繞防止風雨振的螺旋線措施(螺旋線直徑約為3mm左右)，但阻尼器尚未安裝時發生了明顯高階振動現象。