專利名稱：抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風致振動控制技術(shù)，具體說就是一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著跨度的增加，橋梁變得越來越柔，阻尼也將越來越小，這必將使大跨度橋梁的風效應(yīng)顯著增強。對于大跨度橋梁而言，渦激振動是一種典型的風致振動現(xiàn)象。渦激振動是指當流體繞過橋面時，在箱梁斷面的尾部將產(chǎn)生旋渦脫落，當旋渦脫離的頻率與主梁某階固有頻率相近時，此時將產(chǎn)生大幅的渦激共振。雖然渦激振動是一種限幅振動，但它在小風速下就可能發(fā)生(對于大跨度懸索橋而言，一般為4-12m/s)，誘發(fā)頻率高且振動幅值較大， 影響行車安全，還可能產(chǎn)生長時間的疲勞損傷。目前，在一些大跨度橋梁上均出現(xiàn)到了渦激振動現(xiàn)象，比如丹麥的大海帶東橋，日本的東京灣大橋等。對于超大跨度懸索橋梁而言，為了獲得較高的臨界顫振風速，一般將主梁設(shè)計成分離式箱梁形式。雖然這種形式的箱梁斷面具有較好的氣動穩(wěn)定性，但由于兩個箱梁間空隙的存在，使得箱梁周圍的流場結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，旋渦脫落特性顯著增強，從而加劇了主梁渦激振動。目前關(guān)于分離式箱梁渦振控制措施的還相對較少，因此有必要針對分離式箱梁的渦激振動開發(fā)一套簡單、安全和實用性強的渦激振動控制裝置和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。目前，大跨度橋梁主梁渦激振動控制措施主要有兩種一種方法是在箱梁下表面角點附近安裝導(dǎo)流板；另外一種方法是在箱梁內(nèi)安裝被動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，即TMD。安裝導(dǎo)流板控制措施的原理是利用導(dǎo)流板中的高速氣流將脫落的旋渦打碎，從而達到減輕或消除渦激振動的目的。該方法在大跨度橋梁渦振控制中運用較為廣泛，最典型的一個運用實例是該控制措施成功抑制了丹麥大海帶東橋的渦激振動。但是，張偉等利用PIV技術(shù)對大海帶東橋?qū)Я靼鍖α鲌鲎饔玫臋C理進行研究發(fā)現(xiàn)在低風速區(qū)導(dǎo)流板能夠消除箱梁底部的旋渦；在高風速區(qū)，導(dǎo)流板雖不會對箱梁底部的流場造成顯著的影響，但會改變尾跡區(qū)旋渦的分布狀態(tài)，對顫振穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。此外，Larose對昂船州大橋?qū)Я靼屣L洞試驗發(fā)現(xiàn)，Re數(shù)對導(dǎo)流板的減振效果具有重要的影響，Re數(shù)較低時，壁面邊界層較厚，導(dǎo)流板浸沒于邊界層內(nèi)，沒有足夠的氣流通過，從而無法將形成的旋渦打碎。目前導(dǎo)流板的設(shè)計一般以風洞縮尺模型試驗為基礎(chǔ)，然而風洞試驗Re數(shù)無法達到現(xiàn)場足尺Re數(shù)，因此設(shè)計出的導(dǎo)流板在現(xiàn)場實橋中是否能起到很好的控制效果，仍需進一步研究。TMD的工作原理是通過調(diào)節(jié)TMD自身的質(zhì)量、剛度和阻尼系統(tǒng)將結(jié)構(gòu)振動的能量傳遞到TMD上，從而達到減弱結(jié)構(gòu)振動的目的。Fujino針對東京灣大橋出現(xiàn)的渦激振動，開發(fā)了一種用于控制箱梁豎向渦振的 TMD控制裝置，該控制裝置安裝于實橋后取得了良好的控制效果。但對于大跨度懸索橋梁而言，經(jīng)常發(fā)生不同模態(tài)下的渦激振動，而TMD —般只能控制某一階振型的響應(yīng)，這一特征將嚴重限制TMD在大跨度懸索橋梁渦振控制中的運用。此外TMD自身質(zhì)量較重，這無疑會極大增加橋梁豎向荷載。目前，運用于橋梁渦振控制的措施一般都是永久性的，不具有可控性，若能針對流
3場的特點，主動改變橋梁流場，使橋梁在各個階段都具有較好的氣動特性，則能達到較好的控制效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它是由渦激振動感知單元、渦激振動控制單元、渦激振動制動單元和渦激振動控制板單元組成的，其特征在于渦激振動感知單元連接渦激振動控制單元，渦激振動控制單元連接渦激振動制動單元，渦激振動制動單元連接渦激振動控制板單元。本發(fā)明還有以下技術(shù)特征(1)所述的渦激振動感知單元包括兩個單向高精度加速度傳感器、兩個三維超聲風速儀、A/D數(shù)據(jù)采集卡和工控機，兩個單向高精度加速度傳感器和兩個三維超聲風速儀連接A/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D數(shù)據(jù)采集卡連接工控機。(2)所述的渦激振動控制單元由D/A轉(zhuǎn)換卡組成。(3)所述的渦激振動制動單元由四臺電機、四根導(dǎo)向軌道和兩根導(dǎo)向桿構(gòu)成，電機連接導(dǎo)向軌道和導(dǎo)向桿。(4)所述的渦激振動控制板單元由四塊輕質(zhì)碳纖維板組成，碳纖維板之間由合頁連接，可自由伸展和折疊，第一塊碳纖維板與箱梁側(cè)壁上方連接方式也是合頁連接，渦激振動發(fā)生時，在控制指令作用下控制板向前伸張將分離式箱梁空隙封閉，渦激振動結(jié)束時，在控制指令作用下控制板向后折疊，將空隙打開。本發(fā)明一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)，所述的渦激振動控制板單元在渦激振動發(fā)生時自動將空隙封閉，從而完全消除分離式箱梁的渦激振動。此外渦激振動結(jié)束后，渦激振動控制板單元的控制板能自動收縮至折疊狀態(tài)，從而避免對大跨度橋梁的顫振效應(yīng)產(chǎn)生影響。研究表明，分離式箱梁的渦激振動主要受空隙處旋渦的脫落影響，本發(fā)明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)場大跨度橋梁的渦激振動迅速做出響應(yīng)，進而采取相應(yīng)的控制措施。


圖1為抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)集成示意圖；圖2為抑制分離式箱梁渦激振動的控制系統(tǒng)渦激振動感知單元和渦激振動控制單元示意圖，圖中(1)高精度加速度傳感器，⑵三維超聲風速儀，⑶A/D數(shù)據(jù)采集卡， (4)數(shù)據(jù)采集軟件，(5)數(shù)據(jù)分析軟件，(6)渦激振動控制算法軟件，(7)工控機，(8) :D/A 轉(zhuǎn)換卡；圖3為抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)渦激振動制動單元示意圖，圖中(9) 電機，(10)導(dǎo)向軌道，(11)導(dǎo)向桿;圖4為抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)的伸展形式的渦激振動控制板單元示意圖，圖中(12)輕質(zhì)碳纖維板，(13)合頁；圖5為抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)的折疊形式的渦激振動控制板單元示意圖；圖6為抑制分離式箱梁渦激振動控制效果圖7為抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)所在位置示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1 結(jié)合圖1，本發(fā)明一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)，它是由渦激振動感知單元、渦激振動控制單元、渦激振動制動單元和渦激振動控制板單元組成的，渦激振動感知單元連接渦激振動控制單元，渦激振動控制單元連接渦激振動制動單元，渦激振動制動單元連接渦激振動控制板單元。本發(fā)明還有以下技術(shù)特征所述的渦激振動感知單元包括兩個單向高精度加速度傳感器、兩個三維超聲風速儀、A/D數(shù)據(jù)采集卡和工控機，兩個單向高精度加速度傳感器和兩個三維超聲風速儀連接 A/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D數(shù)據(jù)采集卡連接工控機。所述的渦激振動控制單元由D/A轉(zhuǎn)換卡組成。所述的渦激振動制動單元由四臺電機、四根導(dǎo)向軌道和兩根導(dǎo)向桿構(gòu)成，電機連接導(dǎo)向軌道和導(dǎo)向桿。所述的渦激振動控制板單元由四塊輕質(zhì)碳纖維板組成，輕質(zhì)碳纖維板之間由合頁連接，可自由伸展和折疊，第一塊輕質(zhì)碳纖維板與箱梁側(cè)壁上方連接方式也是合頁連接，渦激振動發(fā)生時，在控制指令作用下輕質(zhì)碳纖維板向前伸張將分離式箱梁空隙封閉，渦激振動結(jié)束時，在控制指令作用下輕質(zhì)碳纖維板向后折疊，將空隙打開。實施例2 結(jié)合圖1-圖4，本發(fā)明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)包括四個部分渦激振動感知單元、渦激振動控制單元、渦激振動制動單元和渦激振動控制板單元。渦激振動感知單元實時采集和分析橋面加速度和橋址自由風場風速。渦激振動控制單元實時判斷橋梁是否發(fā)生渦激振動或渦激振動是否消失，進而發(fā)出控制指令，該單元主要由渦激振動控制算法軟件和D/A轉(zhuǎn)換卡構(gòu)成。渦激振動制動單元根據(jù)渦激振動控制單元發(fā)出的指令采取動作，渦激振動控制板單元由四塊輕質(zhì)碳纖維板(1 組成，輕質(zhì)碳纖維板之間由合頁(1 連接，可自由伸張和折疊。第一塊輕質(zhì)碳纖維板與箱梁側(cè)壁上方連接方式也是合頁連接方式。渦激振動發(fā)生時，在控制指令引導(dǎo)下輕質(zhì)碳纖維板向前伸張將分離式箱梁空隙封閉；渦振激振動結(jié)束時，在控制指令引導(dǎo)輕質(zhì)碳纖維板向后折疊，將空隙打開。渦激振動感知單元實時采集橋面加速度和橋面周圍自由風速信號，并對這些信號按一定時距處理，得到一定時距下的加速均方值、平均風速、平均風向角和湍流度。然后渦激振動控制單元實時調(diào)用感知單元中得到的一定時距下的橋面加速均方值、平均風速、平均風向角和湍流度并將這些參數(shù)代入控制程序，控制程序?qū)崟r判斷是否發(fā)生渦激振動或渦激振動是否消失。若渦激振動制動單元從渦激振動控制單元中得到控制指令，則帶動控制板進行向前伸展或向后收縮運動，直到達到目標位置為止。實施例3，結(jié)合圖6，本發(fā)明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)的有效性在風洞試驗中得到很好的驗證，圖6為分離式箱梁渦激振動在有控和無控下分離式箱梁振動位移均方值隨折減風速的變化(實線代表無控的結(jié)果，虛線代表使用本發(fā)明的控制裝置后的結(jié)果)。圖6中的RMS(y)表示對振動位移取均方根值，D為分離式箱梁中心高度，Ur表示折減風速，U為來流風速，fvertical為分離式箱梁某階豎向固有頻率，B為分離式箱梁總寬度。
從圖6中可知，控制前，分離式箱梁發(fā)生了顯著的渦激振動；控制后，分離式箱梁的振動幾乎為零，控制效果極其顯著。實施例4，結(jié)合一個具體渦激振動控制實例，說明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)工作流程。感知單元實時采集橋面加速度和橋面周圍自由風速信號，并對這些信號按 10分鐘時距處理，得到10分鐘時距下的加速均方值25cm/s2、平均風速12m/s、平均風向角 270°和湍流度4%。然后控制單元實時調(diào)用感知單元中得到的10分鐘時距下的橋面加速均方值、平均風速、平均風向角和湍流度并將這些參數(shù)代入控制程序。加速度大于lOcm/s2， 平均風速處于5-13m/s間，平均風向角位于沈5° -280°，湍流度小于8%，控制程序判定此時發(fā)生渦激振動，制動單元從控制單元中得到控制指令，作動器帶動輕質(zhì)碳纖維板進行向前伸展運動，將空隙封閉。感知單元實時采集橋面加速度和橋面周圍自由風速信號，并對這些信號按10分鐘時距處理，得到平均風向角220。然后控制單元實時調(diào)用感知單元中得到的10分鐘時距下的橋面加速均方值、平均風速、平均風向角和湍流度并將這些參數(shù)代入控制程序。平均風向角小于265°，控制程序判定此時未發(fā)生渦激振動，制動單元從控制單元中得到控制指令，作動器帶動輕質(zhì)碳纖維板進行向后收縮運動，將空隙打開。實施例5，結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4，本發(fā)明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)包括四個部分感知單元部分、控制單元部分、制動單元部分和渦激振動控制板裝置。感知單元部分實時采集和分析橋面加速度和橋址自由風場風速，該單元主要由兩個單向高精度加速度傳感器、兩個三維超聲風速儀、一塊A/D數(shù)據(jù)采集卡、一套數(shù)據(jù)采集軟件、一套數(shù)據(jù)實時分析軟件和一臺工控機組成；控制單元部分實時判斷橋梁是否發(fā)生渦激振動或渦激振動是否消失，進而發(fā)出控制指令，該單元主要由渦激振動控制算法軟件和D/A轉(zhuǎn)換卡構(gòu)成；制動單元部分根據(jù)控制單元發(fā)出的指令采取動作，該單元主要由四臺同步電機、四個導(dǎo)向軌道和兩根導(dǎo)向桿組成；渦激振動控制板裝置由四塊輕質(zhì)碳纖維板組成，碳纖維板之間由合頁連接，可自由伸張和折疊。第一塊碳纖維板與箱梁側(cè)壁上方連接，連接件為合頁。第四塊纖維板與導(dǎo)向桿連接。渦激振動發(fā)生時，在控制指令引導(dǎo)下，導(dǎo)向桿在電機的帶動下向前運動，處于折疊狀態(tài)的輕質(zhì)碳纖維板在導(dǎo)向桿的帶動下，相繼展開，直至四塊輕質(zhì)碳纖維板完全展開將空隙封閉；渦振激振動結(jié)束時，在控制指令引導(dǎo)下，導(dǎo)向桿在電機的帶動下向后運動，處于展開狀態(tài)的輕質(zhì)碳纖維板在導(dǎo)向桿的帶動下，相繼折疊，直至空隙完全打開。
權(quán)利要求
1.一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)，它是由渦激振動感知單元、渦激振動控制單元、渦激振動制動單元和渦激振動控制板單元組成的，其特征在于渦激振動感知單元連接渦激振動控制單元，渦激振動控制單元連接渦激振動制動單元，渦激振動制動單元連接渦激振動控制板單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的渦激振動感知單元包括兩個單向高精度加速度傳感器、兩個三維超聲風速儀、A/D數(shù)據(jù)采集卡和工控機，兩個單向高精度加速度傳感器和兩個三維超聲風速儀連接A/D數(shù)據(jù)采集卡，A/D 數(shù)據(jù)采集卡連接工控機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的渦激振動控制單元由D/A轉(zhuǎn)換卡組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的渦激振動制動單元由四臺電機、四根導(dǎo)向軌道和兩根導(dǎo)向桿構(gòu)成，電機連接導(dǎo)向軌道和導(dǎo)向桿。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的渦激振動控制板單元由四塊輕質(zhì)碳纖維板組成，輕質(zhì)碳纖維板之間由合頁連接，可自由伸展和折疊，第一塊輕質(zhì)碳纖維板與箱梁側(cè)壁上方連接方式也是合頁連接，渦激振動發(fā)生時，在控制指令作用下輕質(zhì)碳纖維板向前伸張將分離式箱梁空隙封閉，渦激振動結(jié)束時，在控制指令作用下輕質(zhì)碳纖維板向后折疊，將空隙打開。
全文摘要
本發(fā)明提供一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統(tǒng)。渦激振動感知單元連接渦激振動控制單元，渦激振動控制單元連接渦激振動制動單元，渦激振動制動單元連接渦激振動控制板單元。渦激振動感知單元的兩個單向高精度加速度傳感器和兩個三維超聲風速儀連接A/D數(shù)據(jù)采集卡和工控機。渦激振動制動單元的電機連接導(dǎo)向軌道和導(dǎo)向桿。渦激振動控制板單元的四塊輕質(zhì)碳纖維板可自由伸展和折疊。本發(fā)明的渦激振動控制板單元在渦激振動發(fā)生時自動將空隙封閉，從而完全消除分離式箱梁的渦激振動?？刂瓢迥茏詣邮湛s至折疊狀態(tài)，避免對大跨度橋梁的顫振效應(yīng)產(chǎn)生影響。本發(fā)明能夠?qū)ΜF(xiàn)場大跨度橋梁的渦激振動迅速做出響應(yīng)，進而采取相應(yīng)的控制措施。
文檔編號E01D19/00GK102505627SQ201110365848
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者李惠, 賴馬樹金 申請人:哈爾濱工業(yè)大學