大跨度桥梁主梁单箱梁风致振动的主动吸吹气智能控制装置

摘要

本发明公开一种大跨度桥梁主梁单箱梁风致振动的主动吸吹气智能控制装置，包括多套正反向空气加速单元，加速度传感器，风速测量仪和控制单元，所述的多套正反向空气加速单元延来流方向以一定间隔平行安装于单箱梁内部，每套正反向空气加速单元包括正反向空气加速器、后滞点导气管、前滞点导气管，正反向空气加速器将得空气从前滞点导气管吸入，经加速后从后滞点导气管吹出，加速度传感器和风速测量仪安装于单箱梁上，用于监测单箱梁的振动信号和风速信号，并将信号发送给空气加速器的控制单元，通过控制单元闭环控制，实现正反向空气加速器的吸吹气的智能控制。本发明结构简单，能够很好地减小大跨度桥梁单箱梁的风致振动。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁结构风致振动控制技术，具体说就是一种大跨度桥梁主梁单箱梁风致振动的主动吸吹气智能控制装置。

背景技术

大跨度桥梁发展越来越迅速，跨度越来越大。随着桥梁跨度的不断增大，桥梁结构变得越柔，刚度和阻尼越来越小。桥梁对风荷载所产生的风效应越来越明显。风荷载已成为大跨度桥梁最主要的动力荷载之一，如何减小或降低风荷载及风荷载产生的风效应是当前研究设计人员最为关心的一个问题。因此，大力研究大跨度桥梁风致振动的内在机理及提出有效的控制措施，对提高大跨度桥梁主梁在服役期间的安全性具有重要意义。针对目前以发现的研究成果，控制大跨度桥梁主梁风致振动的方法主要包括两类方法，一类方法是针对大跨度桥梁本身的固有属性，如主动机械阻尼器。机械阻尼器控制方法可以改变桥梁结构的阻尼，以较大的阻尼来抵抗桥梁结构的振动。同时调谐质量阻尼器(TMD)和双频率的调谐质量阻尼器(DTMD)还可以改变结构的固有频率使得结构的频率与风荷载的动力频率不能耦合，同时可以增大结构的阻尼，从而抑制结构的风致振动。阻尼器虽然具有较好的控制效果，但是其连接构件容易发生破坏，如苏通大桥斜拉索阻尼器发生的断裂。另一种控制方法为气动控制措施，其实直接降低作用于结构的力。如：在主梁截面两端安装风嘴、导流板以及附属装置调位等。

发明内容

本发明的目的在于针对桥梁主梁单箱梁风致振动提供一种大跨度桥梁主梁单箱梁风致振动的主动吸吹气智能控制装置，用于降低大跨度桥梁主梁单箱梁的风致振动响应。

本发明所采用的技术如下：一种大跨度桥梁主梁单箱梁风致振动的主动吸吹气智能控制装置，包括多套正反向空气加速单元，加速度传感器，风速测量仪和控制单元，所述的多套正反向空气加速单元延来流方向以一定间隔平行安装于单箱梁内部，每套正反向空气加速单元包括正反向空气加速器、后滞点导气管、前滞点导气管，单箱梁的背风面布置后滞点导气管的管口，单箱梁的迎风面布置前滞点导气管的管口，正反向空气加速器位于单箱梁主梁内部，后滞点导气管和前滞点导气管分别与正反向空气加速器的两端相连，加速度传感器和风速测量仪安装于单箱梁上，用于监测单箱梁的振动信号和风速信号，并将信号发送给空气加速器的控制单元，通过控制单元闭环控制，实现正反向空气加速器的吸吹气的智能控制。

进一步的，多套所述的正反向空气加速单元之间的间距为单箱梁的梁高。

进一步的，前和后滞点导气管的管口分别安装有除湿器，用于在下雨天时除去空气中大部分水分。

进一步的，所述的正反向空气加速器使得空气从前滞点导气管吸入，经加速后从后滞点导气管吹出；或者从后滞点导气管吸入，经加速后从前滞点导气管吹出；或者相邻的正反向空气加速器加速气流的方向相反。

本发明通过智能监测控制闭环，实现吸吹气的智能控制。存在三种控制形式，第一：来流通过前滞点导气管进入，经过正反向空气加速器，使得加速后的气流经过后滞点导气管喷出。前滞点导气管吸入气流时，与上下分离的剪切层相互作用，上下剪切层相互作用被推迟，从而极大的抑制了作用于桥梁主梁的非定常气动力，进而抑制了振动效应。同时，当采用与梁高相同距离布置此装置时，可以诱导二次不稳定的流向涡从而降低展向涡强。第二：正反向空气加速器使得气流从后滞点导气管吸入，使加速后的气流经过前滞点导气管从迎风面喷出。从迎风面喷出的气流与来流相互作用，使得来流湍流度增大，湍流度的增强使得一致性的涡激励难以形成，从而降低主梁的涡激振动。第三：相邻的正反向空气加速器加速气流的方向相反，相邻反向吸吹形成强大的剪切力，撕扯来流与尾流的剪切层，同时形成的展向扰动波可以形成mode-A流向涡，从而抑制单箱梁发生涡激振动。本发明结构简单，减振原理清晰，能够很好地减小大跨度桥梁单箱梁的风致振动。

附图说明

图1为大跨度桥梁主梁风致振动的主动吸吹气流动控制装置示意图；

图2为大跨度桥梁主梁无控与主动吸吹气流动控制下绕流场示意图；

图3为正反向空气加速器加速空气与来流反向时绕流场示意图；

图4为正反向空气加速器加速空气与来流同向时绕流场示意图；

图5为大跨度桥梁主梁主动吸吹气流动控制下形成的虚拟外形示意图；

图6为减振工作流程图。

其中1、单箱梁，2、正反向空气加速器，3、后滞点导气管管口，4、前滞点导气管管口。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种大跨度桥梁主梁单箱梁风致振动的主动吸吹气智能控制装置，包括多套正反向空气加速单元，加速度传感器，风速测量仪和控制单元，所述的多套正反向空气加速单元延来流方向以一定间隔平行安装于单箱梁内部，每套正反向空气加速单元包括正反向空气加速器、后滞点导气管、前滞点导气管，单箱梁的背风面布置后滞点导气管的管口，单箱梁的迎风面布置前滞点导气管的管口，正反向空气加速器位于单箱梁主梁内部，后滞点导气管和前滞点导气管分别与正反向空气加速器的两端相连，加速度传感器和风速测量仪安装于单箱梁上，用于监测单箱梁的振动信号和风速信号，并将信号发送给空气加速器的控制单元，通过控制单元闭环控制，实现正反向空气加速器的吸吹气的智能控制。多套所述的正反向空气加速单元之间的间距为梁高。前和后滞点导气管的管口分别安装有除湿器。

如图3所示，正反向空气加速器可以使得空气从前滞点导气管吸入，经加速后从后滞点导气管吹出。

如图4所示，正反向空气加速器可以使得空气从后滞点导气管吸入，经加速后从前滞点导气管吹出。

如图5所示，其中一部正反向空气加速器使得气流从后滞点导气管吸入后从前滞点导气管吹出，而相邻的两部正反向空气加速器使得气流从前滞点导气管吸入后从后滞点导气管吹出。

如图6所示，本发明针对桥梁主梁单箱梁风致振动的主动吸吹气智能控制系统控制流程为，加速度传感器和风速测量仪采集到的加速度和风速时程信号进行信号处理，然后输出加速度的均方根值和目标值(根据工程实际确定)对比，如果加速度均方根值大于目标值，控制器启动使得正反空气加速装置工作，进行流动控制。对于正在使用中的单箱梁，在流场中的结果如图2所示。该装置可以形成三种不同的流动控制方法。

一：结合图3，当所有的正反向空气加速装置都往迎风面加速流体时，使得来流湍流度增大，湍流度的增强使得一致性的涡激励难以形成，从而降低主梁的涡激振动。

二：结合图4，当所有的正反向空气加速装置都往背风面加速流体时，通过背风面出气孔喷出的气流使得上下剪切层的作用降低且被推迟，从而极大地减小箱型单箱型主梁表面的脉动压力；同时前缘的吸气会降低流动分离。

三：结合图5，当相邻正反向空气加速器使相邻气流方向相反，相邻反向吸吹形成强大的剪切力，撕扯来流与尾流的剪切层，同时形成的展向扰动波可以形成mode-A流向涡，从而抑制单箱梁发生涡激振动。