專利名稱：：大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及橋梁工程，具體是指大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)。目前的大跨橋梁顫振控制研究主要有結構措施、空氣動力學措施和機械阻尼措施三個方向。結構措施方面，主要做法是盡量采用抗扭剛度較大的加勁梁，如鋼桁梁、鋼箱梁等，以及設置交叉吊索系統(tǒng)等；空氣動力學措施的一般做法有調整加勁梁的氣動外形、設置中央穩(wěn)定板及中央開槽等；機械阻尼措施的工程應用主要通過安裝調諧質量阻尼器來提高橋梁結構阻尼。大量的工程實踐證實了這些研究在有效控制大跨橋梁風動穩(wěn)定性方面的積極意義。隨著杭州灣大橋等跨海工程的成功建設，21世紀的國際橋梁工程已經(jīng)進入跨海連島工程的新時期。在21世紀上半葉，規(guī)劃中的歐亞博斯普魯斯海峽第三通道、中國的瓊州海峽通道及舟山連島工程等一大批跨海工程將有可能付諸工程實踐。為避開海洋超深水基礎施工的困難，超大跨橋梁成為必然的選擇。而隨著橋梁跨度的增大，橋梁結構剛度急劇減弱，這使風致振動特別是顫振穩(wěn)定性對橋梁安全性的影響更加重要。再加上來自海上臺風的威脅，未來超大跨跨海大橋的建設將必然面臨更高的抗風穩(wěn)定性要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術存在的不足，提出一種大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)，該系統(tǒng)的阻尼構件能在橋梁加勁梁發(fā)生豎向振動時在水中發(fā)生相應振動，由此耗散巨大能量并產(chǎn)生巨大阻力來抑制加勁梁振動，從而提高橋梁在風荷載作用下的穩(wěn)定性；它可充分利用天然水資源，實施大規(guī)模廉價而又功能強大的的阻尼措施。本發(fā)明的技術方案是，所述大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)為在大跨橋梁(如懸索橋、斜拉橋)的加勁梁或主纜上設置用吊索拉住并浸沒在水中的阻尼構件，該阻尼構件在水平面上的投影面積A。與其在任何垂直于水平面的平面上的投影面積Ax滿足以下關系，A。^3Ax。如A。二10Ax，A。二20Ax，A。二100Ax等。以下對本發(fā)明做出進一步說明。本發(fā)明所述在大跨橋梁(如懸索橋、斜拉橋)的加勁梁或主纜上設置用吊索拉住并浸沒在水中的阻尼構件，即是使所述吊索的一端與橋梁的加勁梁或主纜連接而另一端連接所述阻尼構件。所述阻尼構件是指在水平面上的投影面積Ao大于或等于其在任何垂直于水平面的平面上的投影面積Ax的三倍的構件。如水平薄板即是其中的一種。該阻尼構件的重力大于浮力而可浸沒在水中。本發(fā)明的主要工作原理是，借助橋梁結構外部作用(橋梁加勁梁振動時帶動大面積阻尼構件在水中運動時產(chǎn)生的巨大阻力)抑制橋梁加勁梁的振動，大大增大橋跨系統(tǒng)阻尼，從而大幅提高大跨柔性橋梁的顫振穩(wěn)定性，較好地解決大跨橋梁在風作用下的穩(wěn)定性問題，并有可能較大程度地減小大跨橋梁建設的造價，取得較好的經(jīng)濟效果。本發(fā)明的技術方案已經(jīng)在湖南大學風工程實驗研究中心HD-2號風洞第一試驗段得到試驗檢驗。試驗以某特大懸索橋為背景，開展了扭彎頻率比分別為3.0、2.5、2.0和1.5四種情況下的節(jié)段模型顫振試驗研究，其中每種情況都進行了設置抗風水下阻尼系統(tǒng)前后的試驗對比。試驗結果表明抗風水下阻尼系統(tǒng)能大幅提高不同扭彎頻率比下懸索橋的顫振臨界風速；其抗風減振效果，與阻尼構件的面積分布率(所謂面積分布率是指阻尼構件在水平面上的總投影面積與橋面總面積的比值)密切相關，且成單調遞增關系，面積分布率越大，效果越明顯。試驗橋梁的扭彎頻率比為3.0,其采用的抗風措施為"設置分離式中央穩(wěn)定板上穩(wěn)定板高0.5m、下穩(wěn)定板高lm，并輔之以封槽"的氣動措施，其顫振檢驗風速為51.5m/s。試驗測得該橋在0°風攻角情況下的實橋顫振臨界風速為70.65m/s。去掉該大橋的氣動措施后，節(jié)段模型顫振風洞試驗測得的在0°風攻角情況下，換算到實橋后的顫振臨界風速結果，見下表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表注表中"開孔率"是指阻尼構件開孔面積與阻尼構件面積的比值;表中ft/fh的是指橋梁的扭彎頻率比。通過對試驗結果進行分析，不難發(fā)現(xiàn)1.在設置抗風水下阻尼系統(tǒng)后，各種扭彎頻率比情況下橋梁的顫振臨界風速都有大幅提高。舉阻尼構件面積分布率為10.82%、開孔率為0%的情況為例，扭彎頻率比為3.0、2.5、2.0和1.5時，與不設阻尼措施前相比，橋梁的顫振臨界風速增幅分別達127.5%、122.4%、56.6%和140.1%;2.對扭彎頻率比ft/fh=3.0的試驗大橋實橋，阻尼構件面積分布率僅為10.82%而不設中央穩(wěn)定板的阻尼措施，測得的最低顫振臨界風速達90.7m/s，遠遠超過既不設中央穩(wěn)定板也不設水下阻尼系統(tǒng)情況下的40.4m/s，增幅達124.5%，遠遠超過要求的51.5m/s的顫振檢驗風速，增幅達76.1%，也遠遠超過設置中央穩(wěn)定板、但不設置抗風水下阻尼系統(tǒng)情況下的70.65m/s，增幅達28.4%，效果非常明顯。通過以上分析，可以得出以下結論(1)設置抗風水下阻尼系統(tǒng)后，能大幅提高不同扭彎頻率比情況下大跨橋梁的顫振臨界風速，只需較小的分布規(guī)模就能取得很好的抗風減振效果；水下阻尼系統(tǒng)不失為一種有效的抑制顫振辦法；(2)抗風水下阻尼系統(tǒng)的抗風減振效果，與阻尼構件的面積分布率密切相關，且成單調遞增關系，阻尼構件面積分布率越大，抗風減振效果越好；不難預測，當阻尼構件面積分布率達到一定規(guī)模，就可能消除顫振失穩(wěn)對大跨度橋梁帶來的災難；(3)在橋梁扭彎頻率比相同的情況下，與空氣動力學措施相比，抗風水下阻尼系統(tǒng)的抗風性能有一定的優(yōu)勢。本發(fā)明技術方案主要適用于大跨度柔性橋梁。對跨海橋梁，建設超大跨度(尤其是3000米以上)的一個重要原因是為了避開海洋深水基礎，通航要求往往比較容易滿足，在這種情況下，只要能保證一定的通航寬度，在橋跨的其余位置可以根據(jù)需求設置抗風水下阻尼系統(tǒng)；特別是，對于目前專家提出的長達120多公里的臺灣海峽通道等龐大工程，只需在關鍵地段設置幾個通航道后，其他位置基本上可以不考慮通航要求，可以根據(jù)需要設置抗風水下阻尼系統(tǒng)。本發(fā)明技術方案中的阻尼構件可重點考慮設置在水流速比較小的水域，根據(jù)海洋水速從水面往下呈指數(shù)遞減的規(guī)律，可考慮在表面水流速較大的海峽將阻尼構件深入到水流較小的水下。通過在橋梁結構上合理設置抗風水下阻尼系統(tǒng)，能使其更容易滿足抗風穩(wěn)定性要求，并能夠有效減弱橋梁的設計，使之更符合經(jīng)濟性要求。由以上可知，本發(fā)明為一種大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)，它可充分利用天然水資源形成大規(guī)模廉價而又功能強大的的阻尼措施，通過橋梁結構外部作用——阻尼構件能在橋梁加勁梁發(fā)生豎向振動時在水中發(fā)生相應振動，由此耗散巨大能量并產(chǎn)生巨大阻力來抑制加勁梁振動，從而能較大程度提高橋梁在風荷載作用下的顫振穩(wěn)定性，并且能有效地抑制渦激振動。圖1是本發(fā)明一種實施例的阻尼系統(tǒng)沿橋縱向立面結構示意圖(吊索一端同加勁梁連接)；圖2是圖1所示阻尼系統(tǒng)沿橋橫向斷面結構示意圖；圖3是本發(fā)明另一種實施例的阻尼系統(tǒng)沿橋縱向立面結構示意圖(吊索一端同主纜連接)；圖4是圖3所示阻尼系統(tǒng)沿橋橫向斷面結構示意圖5是本發(fā)明另一種實施例的阻尼系統(tǒng)結構示意圖。在上述附圖中l(wèi)一懸索橋，2—水底，3—阻尼構件，4一水面，5—吊索，6—加勁梁，7—主纜，8—固定構件，9一豎向減振彈簧，IO—橫向減振彈簧具體實施例方式實施例l:如圖1和圖2所示，以懸索橋為例，主航道位于跨中時阻尼系統(tǒng)的設置是，在主航道兩側分別設置一定數(shù)量阻尼器，各阻尼器由連接在加勁梁6上的吊索(如鋼纜)5，及由該索拉住并浸沒在水中的阻尼構件3組成，即所述吊索5的一端與橋梁的加勁梁6連接而另一端連接所述阻尼構件3;該阻尼構件3為水平薄板，所述水平薄板的面積與厚度之比為50。實施例2:如圖3和圖4所示，以懸索橋為例，主航道位于跨中時阻尼系統(tǒng)的設置是，在主航道兩側分別設置一定數(shù)量阻尼器，各阻尼器由連接在主纜7上的吊索(如鋼纜)5，及由該索拉住并浸沒在水中的阻尼構件3組成，即所述吊索5的一端與橋梁的主纜7連接而另一端連接所述阻尼構件3。該阻尼構件3為水平薄板，所述水平薄板的面積與厚度之比為100。實施例3:對表面水流速較大，但海水又不太深的水域，可考慮在水下阻尼系統(tǒng)上配套采用圖3所示的二級減振系統(tǒng)方案。該方案是，所述吊索5的一端與橋梁的加勁梁6或主纜7連接而另一端連接所述阻尼構件3;在所述阻尼構件3下方設置位于水底的固定構件8，該固定構件8與所述阻尼構件3之間用彈性構件連接，所述彈性構件可以是彈簧或其它適宜的彈性構件。所述彈簧可由豎向減振彈簧9和斜置的橫向減振彈簧10組成。該阻尼構件3為水平薄板，所述水平薄板的面積與厚度之比為120。由固定構件8、阻尼構件3及連接固定構件8與阻尼構件3的豎向減振彈簧9和斜置的橫向減振彈簧10組成二級減振系統(tǒng)。該二級減振系統(tǒng)通過一端固定在固定構件8上、另一端連接阻尼構件3的豎向減振彈簧9增大阻尼構件往上運動后恢復到原位的回復力，通過斜置的橫向減振彈簧10的約束減弱水流對阻尼構件的影響。所述固定構件8的作用是固定減振彈簧的下端，可以是深入海底的抗拔樁、水底基巖、質量較大的石塊、混凝土塊或者用其他材料制作的重塊。權利要求1、一種大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)為在大跨橋梁的加勁梁上或主纜上設置用吊索拉住并浸沒在水中的阻尼構件，該阻尼構件在水平面上的投影面積A0與其在任何垂直于水平面的平面上的投影面積Ax滿足關系A0≥3Ax。2、根據(jù)權利要求1所述大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)，其特征是，在所述阻尼構件(3)下方設置位于水底的固定構件(8)，該固定構件(8)與所述阻尼構件(3)之間用彈性構件連接。3、根據(jù)權利要求2所述大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)，其特征是，所述彈性構件為彈簧。4、根據(jù)權利要求3所述大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)，其特征是，所述彈簧由豎向減振彈簧(9)和斜置的橫向減振彈簧(10)組成。5、根據(jù)權利要求2所述大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)，其特征是，所述固定構件(8)為深入水底的抗拔樁或水底基巖、石塊、配筋，或不配筋混凝土塊。全文摘要一種大跨橋梁抗風水下阻尼系統(tǒng)，屬于橋梁工程
技術領域：
；它的組成是，在大跨橋梁的加勁梁或主纜上設置用吊索拉住并浸沒在水中的阻尼構件，且該阻尼構件的重力大于浮力。該系統(tǒng)可充分利用天然水資源形成大規(guī)模廉價而又功能強大的的阻尼，通過橋梁結構外部作用—阻尼構件能在橋梁加勁梁發(fā)生豎向振動時在水中發(fā)生相應振動，由此耗散巨大能量并產(chǎn)生巨大阻力來抑制加勁梁振動，從而能較大程度提高橋梁在風荷載作用下的顫振穩(wěn)定性，并且能有效地抑制渦激振動。文檔編號E01D19/00GK101260646SQ20081003106公開日2008年9月10日申請日期2008年4月14日優(yōu)先權日2008年4月14日發(fā)明者李有為申請人:李有為