[發明專利]基于主動吸氣的大跨度橋梁多階渦振智能控制系統及方法

有效

• 申請號: 202010750731.3
• 申請日: 2020-07-30
• 公開（公告）號: CN112015107B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 李春光;韓艷;毛禹;胡朋;羅穎;董國朝
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: G05B19/04
• 分類號: G05B19/04;E01D19/00;G01P5/00;G01P13/02
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 李發軍;曾利平

本發明公開了一種基于主動吸氣的大跨度橋梁多階渦振智能控制系統及方法，當檢測到的風速達到產生渦振的風速時，確定產生渦振的階數，根據渦振的階數控制迎風側對應位置的第一吸氣機構、第二吸氣機構工作，第一吸風裝置、第二吸風裝置開始吸收來流風，通過對來流風的吸收在迎風側或背風側形成吸氣流，從而在箱梁展向方向形成展向干擾，干擾了橋梁表面的風場，避免了渦流脫落的形成，在橋梁上下緣、下腹板處形成流向渦，進而破壞尾流旋渦的展向相關性，激發渦振過程中的尾流三維不穩定特性，削弱了渦振響應，減小了對橋梁的影響，使橋梁構件不會發生疲勞破壞，以致對舒適性不會產生影響。

技術領域

本發明屬于橋梁抗風技術領域，尤其涉及一種基于主動吸氣的大跨度橋梁多階渦振智能控制系統及方法。

背景技術

近年來，國內外建成許多跨江渡海的大跨度橋梁，其結構形式主要以懸索橋、斜拉橋為主，如明石海峽大橋、中國舟山西堠門大橋、蘇通大橋、潤揚大橋等。對于這些大跨度纜索支承橋梁來說，隨著跨徑的增加，結構剛度大幅下降，使得風荷載常常成為控制荷載，同時風致振動也成為威脅橋梁安全的主要因素。風對橋梁造成的病害是多方面的，其中渦激振動(簡稱渦振)是氣流流經鈍體結構時產生漩渦脫落，使結構兩側表面受到交替變化的正負壓力而激勵起結構橫風向限幅振動。盡管渦振不像顫振、馳振一樣是發散性的毀滅性的振動，但由于它發生風速低、頻率高且振幅之大足以影響行車安全，有可能導致交通中斷或行人喪失安全感，導致橋梁構件過早的疲勞破壞。

國內外許多橋梁也受到了渦振的影響。巴西的Rio-Niteroi Bridge在使用過程中多次發生強烈的一階豎向模態的大振幅渦激共振現象，使橋上人員棄車而逃。日本的Trans-Tokyo Bay Bridge在風速達到16m/s～17m/s時，橋面就發生明顯的以一階豎向模態為主的渦激振動，跨中單邊振動峰值達50cm。我國江蘇省崇啟大跨度連續梁橋在方案設計階段的風洞試驗發現，主梁在實橋17-19m/s的風速區間內發生振幅近50cm的大幅豎向渦激共振。

目前工程中常用的對大跨度橋梁風致振動的被動控制措施可分為外加機械阻尼控制措施和氣動控制措施。外加機械阻尼控制方式是利用橋梁風致振動對結構阻尼敏感性的特點，通過增設外加阻尼器(如調諧質量阻尼器TMD等)提高橋梁結構自身阻尼來降低渦振響應，提升顫振臨界風速。這種措施雖然可以有效降低大跨度橋梁箱梁的風荷載敏感性，但其造價相對較高，需要定期維護等問題，同樣給實際工程帶來諸多不便。氣動控制措施則是針對箱梁結構與來流之間相互作用的方面加以控制，通過修改結構氣動外形來減弱由于流固耦合而帶來的風致振動的響應。常用的氣動控制方式包括增加箱梁橫截面流線型減弱邊界層分離的裝置，如風嘴、整流罩等；通過控制破壞尾流渦結構的裝置，如導流板等；通過改變結構表面氣壓分布進而提高結構顫振臨界風速的措施，如中央開槽、增設中央穩定板等。這些被動控制措施具有不需要能量輸入，合理設計下能夠很好的提高大跨橋梁箱梁氣動穩定性的優點，然而流固耦合現象是一個非常復雜的過程，傳統被動控制措施并不能起到非常高的控制效果。針對這一問題，研究人員把注意力不斷轉移到主動控制方式，很好的彌補了控制效果差的不足。主動控制措施將控制系統的輸出量與結構反應聯系起來，提供了一個具有信息反饋特點的閉合系統，能夠隨著響應不斷改變輸出量，進而起到大幅度提高控制效果的目的，十分有效地解決外界激勵下的結構振動問題，因此得到了工程上的廣泛應用。同時主動控制方法也作為結構振動控制熱點問題研究至今并不斷發展。

目前已有的橋梁振動主動抑制措施并沒有專門針對多階渦振的有效措施，例如授權公告號為CN105388926B，名稱為一種大跨度橋梁鋼箱梁渦振控制的吹氣方法的發明專利，公開了采用吹氣方法進行渦振抑制的技術手段，但并未對吹氣裝置的分布位置進行限定，采用該方法進行多階渦振抑制，抑制效果不佳；同時，吹氣裝置的設置會影響橋梁斷面形式，改變橋梁的氣動特性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于主動吸氣的大跨度橋梁多階渦振智能控制系統及方法，以解決多階渦振抑制效果不佳，以及影響橋梁斷面特性等問題。

本發明獨立權利要求的技術方案解決了上述發明目的中的一個或多個。