一种改善大跨径桥梁抗风性能的主动控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种改善大跨径桥梁抗风性能的主动控制系统及控制方法，包括能根据不同风攻角等风环境的变化而转动相应角度的导流板和中央稳定板，该系统通过风环境检测处理器检测风环境信号，信号传递至其内部的中央控制器，由中央控制器内嵌的角度换算程序换算得到液压数控伸缩杆需要伸缩的长度和导流板、中央稳定板需转动的角度，再将长度信号传递给液压数控伸缩杆，伸缩杆伸缩相应的长度来实现导流板和中央稳定板的转动角度。与现有技术相比，可转动导流板和中央稳定板能使气体沿桥梁结构更好的分流、绕流，可有效提高桥梁在不同风环境下的抗风性能，减小桥梁结构的风制振动振幅，改善桥梁的气动性能，提高大风天气下车辆在桥梁上行驶的舒适性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善大跨径桥梁抗风性能的主动控制系统及控制方法，属于土木工程技术领域。

背景技术

随着人们交通需求的日益增长，使得桥梁建设向着大跨、轻质的方向发展，而与此同时其风致振动问题变得愈加突出。桥梁在大风环境下有较大的振幅从而使行驶车辆的舒适性大大降低，阻碍甚至中断了交通运输，严重影响了交通经济带的发展。桥梁一旦遭受风灾影响造成损坏，其后果将十分严重，加之桥梁的风害比震害发生的更加频繁，大跨径桥梁的抗风稳定性问题已经成为桥梁设计中不可忽略的控制因素之一。

目前，通常采用结构措施、机械措施和气动措施来提高大跨径桥梁的抗风稳定性，其关键在于采用合理的截面形式和结构体系来提高桥梁的整体刚度，通过隔振、耗能等控制手段来实现桥梁减振的目的，在此基础上再选择合理的气动措施来提高桥梁结构的气动性能。

不同的主梁断面外形使空气流经主梁时产生不同的分流、绕流形态，进而改变作用到桥梁结构上空气作用力的大小。主梁气动措施就是在主梁上添加构件改变主梁断面形状，从而改变气流流经主梁断面时的形态，以达到抑制桥梁风致振动的目的。通常采用的气动措施有：主梁开槽、加装风嘴、导流板、中央稳定板、在拉索表面刻痕等等。

导流板通常设置在风嘴前方，可使主梁断面整体变得更具流线形，能改善主梁的气动绕流状态。同时，在主梁振动时产生附加气动阻尼，可降低主梁振动幅度；在主梁上部、下部中间位置设置中央稳定板，可改善主梁周围的绕流状态，使旋涡沿主梁表面的漂移受到阻碍，提高主梁的抗风性能。

虽然通过设置导流板和上下中央稳定板可以改善桥梁的抗风稳定性，但由于风环境的风向、风速等不确定因素较多，桥梁的风致振动形式多种多样，各种风致振动机理也不相同，有时，某种措施能抑制一种风致振动，而对另一种风致振动的效果不大，甚至可能引起相反的效果。

若采用一种能根据实时监测的风攻角、风速等环境的变化而转动相应角度的导流板和中央稳定板，则可以让气体沿桥梁结构的分流、绕流随着风环境的变化而能调整到最佳状态，有效应对风致振动变化的多样性问题，并能保证在大风环境下交通的顺利通行。本发明采用的主动控制系统根据风环境检测处理器测定的风环境，由中央控制器传递信号并由其内嵌的角度换算程序计算得出液压数控伸缩杆需要伸长或缩短的长度和导流板、中央稳定板需要转动的角度，根据需要实时启动装置，通过液压数控伸缩杆接收信号并伸长或缩短相应的长度来实现导流板和中央稳定板的转动，最后通过安装在导流板和中央稳定板上的角度传感器进行实时检测，与中央控制器实现信号对接，形成完整的信号回路，以保证装置能稳定应对不同风环境的变化，从而提高大跨径桥梁在不同风环境下的抗风稳定性。

鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以根据实时测定的不同风环境而转动相应角度的导流板和中央稳定板，不同风攻角等环境下不同转动角度的导流板和中央稳定板可以有效改善桥梁等建筑物的迎风效果，使气体有效分流、绕流，从而提高其抗风性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种改善大跨径桥梁抗风性能的主动控制系统，包括设置在大跨径桥梁侧部的鱼嘴上钢板和鱼嘴下钢板，所述鱼嘴上钢板一端连接大跨径桥梁的上桥面板边缘，鱼嘴下钢板一端连接大跨径桥梁的下桥面板边缘，鱼嘴上钢板的另一端和鱼嘴下钢板的另一端相互靠近，鱼嘴上钢板和鱼嘴下钢板之间设置有朝向外部的活动导流板以及控制活动导流板转动活动的调节机构；所述大跨径桥梁的桥面板上设置有风环境检测处理器；所述大跨径桥梁的桥面板上还设置有一对中央合页，两个中央合页之间设置有活动中央稳定板，该中央合页呈折叠状态，一部分固定贴附在桥面板上，另一部分贴附在活动中央稳定板上，所述活动中央稳定板与桥面板之间设置有中央液压数控伸缩杆，中央液压数控伸缩杆分别与活动中央稳定板和上桥面板铰接；所述活动导流板上以及活动中央稳定板上均设置有角度传感器。

作为进一步的优选方案，所述调节机构包括固定板，固定板位于鱼嘴上钢板和鱼嘴下钢板之间，穿过鱼嘴上钢板和鱼嘴下钢板之间的间隙设置有固定导流板，固定导流板的一端固定在固定板上，另一端的上下表面各设有一个工业重型合页，两个工业重型合页上各安装一个活动导流板，其中靠上部的活动导流板与鱼嘴上钢板之间设有一个液压数控伸缩杆，该液压数控伸缩杆分别与活动导流板和鱼嘴上钢板铰接，靠下部的活动导流板与鱼嘴下钢板之间设有一个液压数控伸缩杆，该液压数控伸缩杆分别与活动导流板和鱼嘴下钢板铰接。

作为进一步的优选方案，所述调节机构包括转动轴承卡位外环、转动轴承内环和转动轴承转动轴，所述转动轴承卡位外环固定设置在鱼嘴上钢板和鱼嘴下钢板的同侧端部，转动轴承内环位于转动轴承卡位外环内，转动轴承转动轴位于转动轴承卡位外环与转动轴承内环之间，所述活动导流板安装在转动轴承内环暴露于转动轴承卡位外环外的部分上，所述活动导流板与鱼嘴下钢板之间设置有液压数控伸缩杆，液压数控伸缩杆分别与活动导流板和鱼嘴下钢板铰接。

作为进一步的优选方案，所述活动导流板贯穿鱼嘴上钢板和鱼嘴下钢板之间的间隙，活动导流板位于鱼嘴上钢板和鱼嘴下钢板内的端部与鱼嘴下钢板之间设置有液压数控伸缩杆，液压数控伸缩杆分别与活动导流板和鱼嘴下钢板铰接，液压数控伸缩杆的侧部安装有用于固定的卡位板，所述鱼嘴上钢板的端部或鱼嘴下钢板的端部与活动导流板接触的部分设置有耐磨橡胶。

一种改善大跨径桥梁抗风性能的主动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：风环境检测处理器实时监测大跨径桥梁所处的风攻角环境，风环境检测处理器内部安装有中央控制器；

步骤二：风环境检测处理器将监测到的风攻角数据传递至中央控制器，中央控制器通过内嵌的角度换算程序将风攻角数据转换成活动导流板和活动中央稳定板所要转动的角度数据，中央控制器再将角度数据转换成液压数控伸缩杆和中央液压数控伸缩杆分别需要伸长或缩短的长度数据；

步骤三：中央控制器向液压数控伸缩杆和中央液压数控伸缩杆发出指令，液压数控伸缩杆驱动活动导流板转动，中央液压数控伸缩杆驱动活动中央稳定板转动；

步骤四：活动导流板和活动中央稳定板转动完成后，通过活动导流板上安装的角度传感器以及活动中央稳定板上安装的角度传感器分别检测实际转动角度，并将实际转动角度反馈给中央控制器进行校对。

与现有技术相比，本发明的主动控制系统通过实现导流板和中央稳定板的转动，以应对不同风攻角等风环境的变化，从而保证风嘴处、桥面板和桥塔等建筑物上的气体能更好的分流、绕流，一方面有利于解决大跨径桥梁应对不同风环境的变化而带来的风致振动问题，另一方面能使桥梁处于更有利的抗风状态，提高了桥梁的抗风稳定性，使车辆在大风环境下有较好的行驶舒适性，保证不同风环境下交通的顺利通行。

导流板和中央稳定板需要定期试运行并加以维护，此时可通过光照、灯光以及桥梁等构筑物的外观变化等措施，使建筑结构的美学效果发生改变，增强建筑结构的外观美感。

导流板和中央稳定板可在不使用时通过转动相应的角度而实现收拢，有利于提高其使用寿命。

附图说明

图1a是本发明实施例一的结构示意图；

图1b是本发明实施例一的调节机构示意图；

图1c是活动中央稳定板的结构示意图；

图2a是本发明实施例二的结构示意图；

图2b是本发明实施例二的调节机构示意图；

图3a是本发明实施例三的结构示意图；

图3b是本发明实施例三的调节机构示意图；

图4a为本主动控制系统应用于桥梁桥塔的横截面；

图4b为本主动控制系统应用于桥梁桥塔的局部结构示意图；

图5a为本主动控制系统应用于高层建筑的横截面；

图5b为本主动控制系统应用于高层建筑的局部结构示意图；

其中，101-鱼嘴上钢板，102-鱼嘴下钢板，2-活动导流板，3-固定板，4-固定导流板，5-工业重型合页，6-液压数控伸缩杆，7-风环境检测处理器，8-转动轴承卡位外环，9-转动轴承内环，10-转动轴承转动轴，11-卡位板，12-耐磨橡胶，13-中央合页，14-活动中央稳定板，15-中央液压数控伸缩杆，16-角度传感器，17-桥塔主体，18-高层建筑。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

本发明提供的主动控制系统关键在于各个配件之间的连接和配合，现提供各配件之间的连接实施方式及其相关应用以进一步对该主动控制系统进行说明，本发明的一种改善大跨径桥梁抗风性能的主动控制系统，包括设置在大跨径桥梁侧部的鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102，鱼嘴上钢板101、鱼嘴下钢板102、桥梁主体构成鱼嘴架构，所述鱼嘴上钢板101一端连接大跨径桥梁的上桥面板边缘，鱼嘴下钢板102一端连接大跨径桥梁的下桥面板边缘，鱼嘴上钢板101的另一端和鱼嘴下钢板102的另一端相互靠近，鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102之间设置有朝向外部的活动导流板2以及控制活动导流板2转动活动的调节机构；所述大跨径桥梁的桥面板上设置有风环境检测处理器7。

图如1c所示，所述大跨径桥梁的上桥面板或下桥面板位置还设置有一对中央合页13，两个中央合页13之间设置有活动中央稳定板14，活动中央稳定板14平行于桥梁顺桥向方向，该中央合页13呈折叠状态，一部分固定贴附在桥面板上，另一部分贴附在活动中央稳定板14上，所述活动中央稳定板14与桥面板之间设置有中央液压数控伸缩杆15，中央液压数控伸缩杆15分别与活动中央稳定板14和上桥面板铰接，活动中央稳定板14通过中央合页13与桥面板连接，风环境检测处理器7控制中央液压数控伸缩杆15的伸缩，调节活动中央稳定板14的摆动角度，确保活动中央稳定板14在稳定的状态下转动。

实施例一：

其中，实施例一的整体结构图如图1a所示，调节机构结构图如图1b所示；

图1b中风环境检测处理器7安装在桥面上，其内安装的中央控制器内嵌角度换算程序。风环境检测处理器7通过实时测定主梁所处的风环境，将信号传输给中央控制器，中央控制器内的角度换算程序可事先编程设置，以便实时换算输出活动导流板2和活动中央稳定板14在不同风环境下需要转动的角度和液压数控伸缩杆需要伸长或缩短的长度，由中央控制器实时发出信号启动装置，确保活动导流板2和活动中央稳定板14能转动至相应的角度。

所述调节机构包括固定板3，固定板3位于鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102之间，穿过鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102之间的间隙设置有固定导流板4，固定导流板4的一端固定在固定板3上，另一端的上下表面各设有一个工业重型合页5，两个工业重型合页5上各安装一个活动导流板2，其中靠上部的活动导流板2与鱼嘴上钢板101之间设有一个液压数控伸缩杆6，该液压数控伸缩杆6分别与活动导流板2和鱼嘴上钢板101铰接，靠下部的活动导流板2与鱼嘴下钢板102之间设有一个液压数控伸缩杆6，该液压数控伸缩杆6分别与活动导流板2和鱼嘴下钢板102铰接，具体的说，中央控制器将需要伸长或缩短的长度信号传输给液压数控伸缩杆6，液压数控伸缩杆6与活动导流板2和鱼嘴架构之间采用销钉连接，保证液压数控伸缩杆6具有位移和旋转自由度，活动导流板2通过液压数控伸缩杆6的伸长或缩短而实现转动以调节角度。活动导流板2通过工业重型合页5与固定导流板4连接，而固定导流板4通过固定板3与鱼嘴架构进行焊接固定。

图1b中的两个活动导流板2可以单独使用，以使桥梁处于最佳气动状态。

活动导流板2和活动中央稳定板14在不使用的情况下可以通过转动相应的角度进行收拢，提高其使用寿命

实施例二：

实施例二的整体结构图如图2a所示，调节机构结构图如图2b所示；

实施例二与实施例一的基本原理相同，信号传输与配件协作路径均为：风环境检测处理器7→液压数控伸缩杆6→活动导流板2→角度传感器16→风环境检测处理器7；风环境检测处理器7→中央液压数控伸缩杆15→活动中央稳定板14→角度传感器16→风环境检测处理器7，各配件之间的具体连接和运作原理同实施例一，不再赘述。

该调节机构包括转动轴承卡位外环8、转动轴承内环9和转动轴承转动轴10，转动轴承卡位外环8为类半圆的环形体，转动轴承内环9为环形结构，转动轴承内环9和转动轴承转动轴10限位在转动轴承卡位外环8内，转动轴承内环9在转动轴承卡位外环8内转动，转动轴承卡位外环8固定设置在鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102的同侧端部，转动轴承内环9位于转动轴承卡位外环8内，转动轴承转动轴10位于转动轴承卡位外环8与转动轴承内环9之间，所述活动导流板2安装在转动轴承内环9暴露于转动轴承卡位外环8外的部分上，所述活动导流板2与鱼嘴下钢板102之间设置有液压数控伸缩杆6，液压数控伸缩杆6分别与活动导流板2和鱼嘴下钢板102铰接，具体的说，实施例2通过转动轴承装置来支持活动导流板2的转动，并对活动导流板2起到卡位作用。转动轴承装置由转动轴承卡位外环8、转动轴承内环9、转动轴承转动轴10三部分组成。转动轴承卡位外环8与鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102端部进行焊接，起到固定整个转动轴承配件的作用，转动轴承内环9与活动导流板2进行焊接固定，与活动导流板2共同旋转，转动轴承转动轴10为若干转动圆管或圆球，起到支撑转动轴承卡位外环8与转动轴承内环9协调运转的作用，中央控制器将需要伸长或缩短的长度信号传输给液压数控伸缩杆6，控制液压数控伸缩杆6伸长或缩短，以带动活动导流板2和转动轴承内环9一体活动。

实施例三：

实施例三的整体结构图如图3a所示，可转动导流板的细部结构图如图3b所示；

实施例三使用的配件除了活动导流板2活动中央稳定板14外，还采用了实施例一和实施例二中使用的风环境检测处理器7、液压数控伸缩杆6、角度传感器16，各配件间的链接、运作和信号传输路径原理均与实施一和实施二相同，不再赘述。

所述活动导流板2贯穿鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102之间的间隙，活动导流板2位于鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102内的端部与鱼嘴下钢板102之间设置有液压数控伸缩杆6，液压数控伸缩杆6分别与活动导流板2和鱼嘴下钢板102铰接，液压数控伸缩杆6的侧部安装有用于固定的卡位板11，所述鱼嘴上钢板101的端部或鱼嘴下钢板102的端部与活动导流板2接触的部分设置有耐磨橡胶12，具体的说，实施例三将液压数控伸缩杆6安装在鱼嘴架构内，由卡位板11进行卡位固定，液压数控伸缩杆6的上端与活动导流板2的一端进行铰接，由液压数控伸缩杆6的伸长或缩短来实现活动导流板2的摆动，以调节活动导流板2的转动角度。其中，可在鱼嘴下钢板102上安置滑动槽，方便活动导流板2在不使用时，能通过卡位板11和液压数控伸缩杆6的旋转配合对活动导流板2进行收拢，以提高活动导流板2的使用寿命。

在鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102的另一端部，采用耐磨橡胶12来协调活动导流板2与鱼嘴下钢板102端部之间的旋转摩擦配合，耐磨橡胶12具有一定的刚度、强度、抗疲劳性，其中，鱼嘴下钢板102由于承担活动导流板2的自重，鱼嘴下钢板102上安装的耐磨橡胶12比鱼嘴上钢板101上安装的耐磨橡胶12具有更大的刚度。

耐磨橡胶12通过卡位栓钉在鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102端部上进行固定，起到可拆卸替换的作用，卡位栓钉可预制成螺丝形式在鱼嘴上钢板101和鱼嘴下钢板102上进行更方便的安装固定

所述活动导流板2上以及活动中央稳定板14上均设置有角度传感器16，对活动导流板2上以及活动中央稳定板14进行实时转动角度检测，并将检测信号传输给中央控制器，进行信号核对，确保主动控制系统形成信号回路，能实时调整至准确、稳定的工作状态。

以实施例一为例，其控制方法如下：

一种改善大跨径桥梁抗风性能的主动控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：风环境检测处理器7实时监测大跨径桥梁所处的风攻角环境，风环境检测处理器7内部安装有中央控制器，；

步骤二：风环境检测处理器7将监测到的风攻角数据传递至中央控制器，中央控制器通过内嵌的角度换算程序将风攻角数据转换成活动导流板2和活动中央稳定板14所要转动的角度数据，中央控制器再将角度数据转换成液压数控伸缩杆6和中央液压数控伸缩杆15分别需要伸长或缩短的长度数据；

步骤三：中央控制器向液压数控伸缩杆6和中央液压数控伸缩杆15发出指令，液压数控伸缩杆6驱动活动导流板2转动，中央液压数控伸缩杆15驱动活动中央稳定板14转动；

步骤四：活动导流板2和活动中央稳定板14转动完成后，通过活动导流板2上安装的角度传感器16以及活动中央稳定板14上安装的角度传感器16分别检测实际转动角度，并将实际转动角度反馈给中央控制器进行校对，形成信号回路，保证装置稳定运作。

实施例二和实施例三的控制方法与实施例一雷同，此处就不赘述。

此控制系统可根据需要用于高层建筑等有抗风需求的建筑物与工程中，如下：

实施例四：

作为本发明更进一步的设计，本主动控制系统应用于桥梁桥塔的实例。图4a为四周带有倒角的正方形桥塔的横截面图，在桥塔的四个边角区域加上可转动的活动导流板2，活动导流板2侧部与桥塔结构之间设置有液压数控伸缩杆，风环境检测处理器7控制液压数控伸缩杆伸长或缩短，可有效应对不同风环境的变化带来的桥塔振动问题。图4b为桥塔边角区域的细部结构图，桥塔四个边角的细部结构装置构造及原理均相同，故只选择一个边角区域为例进行说明。

图4b中的可转动导流板装置包括活动导流板2、工业重型合页、液压数控伸缩杆、角度传感器16，该装置接收桥面板上的风环境检测处理器7的预测信号，通过角度换算程序计算出液压数控伸缩杆需要伸长或缩短的长度和导流板需要转动的角度，实时启动装置，并通过液压数控伸缩杆的伸长或缩短来实现活动导流板2的转动，通过角度传感器16对活动导流板2的转动角度测量，发出信号并与中央控制器形成闭合的信号回路，保证装置稳定的运作。

活动导流板2在不使用的情况下可以通过转动相应的角度进行收拢，增加其使用寿命。

实施例五：

实施例5为本主动控制系统应用于高层建筑等有防风需求等建筑物的实例。图5a为高层建筑的横截面安装活动导流板的示意图，假设高层建筑的横截面为矩形，四个边角的活动导流板装置及运作原理均相同，故只选择其中一个边角的细部结构示意图进行说明，如图5b所示。

图5b中，活动导流板2通过工业重型合页连接在高层建筑墙体边缘，活动导流板2与墙体之间设置液压数控伸缩杆，风环境检测处理器7可以安装在高层建筑的阳台或者露天的地方，以便实时检测风环境并传输信号，风环境检测处理器7将检测的风信号传递给其内部的中央处理器，中央处理器通过其内嵌的角度换算程序将风环境换算为液压数控伸缩杆需要伸长或缩短的长度和活动导流板2需要转动的角度，并将长度信号传输给活动液压数控伸缩杆，液压数控伸缩杆通过伸长或缩短相应的长度实现活动导流板2的转动，安装在活动导流板2上的角度传感器16检测活动导流板2的转动角度，将信号传输给中央处理器，形成信号回路，保证装置调整到最佳状态并稳定的运行。

实时例5中活动导流板2通过工业重型合页与高层建筑进行安装。

活动导流板2在不使用的情况下可以通过转动相应的角度进行收拢，增加其使用寿命。

本发明采用风环境检测处理器实时测定桥梁所处的风攻角等环境，风环境检测处理器可固定安装在桥面板上，以便于维修和操作。

风环境检测处理器将测定的不同风环境信号传输到中央控制器，由其内嵌的角度换算程序计算出液压数控伸缩杆需要伸长或缩短的长度和导流板、中央稳定板需要转动的角度，液压数控伸缩杆通过伸长或缩短控制导流板和中央稳定板转动到一定角度，使气体能有效分流、绕流，保证桥梁结构处于最佳气动状态。其中，中央控制器、角度换算程序、角度传感器可以通过编程配置形成系统而协同工作，以提高装置运作效率。

为更好的对导流板和中央稳定板的转动进行控制与实时调整，在导流板和中央稳定板上安装角度传感器，角度传感器通过测定导流板和中央稳定板实时转动的角度，将信号传输给中央控制器，进行信号核对，以形成完整的信号回路，一方面可针对变化的风环境以随时调节导流板和中央稳定板的转动角度，另一方面可保证装置稳定的工作状态

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。