一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构及其设计方法与流程

1.本技术涉及桥梁工程领域，特别涉及一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构及其设计方法。


背景技术：

2.目前在大跨度桥梁中常出现低风速下的涡振问题，虽然振幅有限，但频繁振动可能引起结构的疲劳损伤，降低桥梁的使用寿命，危及结构安全。
3.在一些相关技术中，当气流经过桥梁结构时，会沿桥面产生上下分离，形成周期性的漩涡脱落，并产生作用于桥梁上的周期性气动力，当漩涡脱落频率与桥梁结构某阶振动频率一致时，就会激发桥梁的涡激共振。由于涡振对结构气动外形极其敏感，目前常采用在主梁上安装风嘴、导流板等附加气动措施，改变结构周围的流场状态从而改善其空气动力性能，避免或推迟漩涡脱落的发生，达到抑制涡振的效果。
4.但是从目前采用的气动措施来看，气动结构在起振风速下容易发生一致性、同步性振动，其抑制涡振效果较低。有必要设计出一种结构构造，破坏了气流沿主梁行车方向运动的相关性和一致性，振动互相干扰和中和。
5.在另一些相关技术中，目前评判结构涡振性能常采用基于振型分解的三维问题二维化研究方法，首先建立全桥有限元分析计算模型得到结构相关动力参数，然后将所得的相关技术参数等效代入桥梁节段风洞试验模型中，再进行各工况下风洞试验，最后根据试验结果评判结构涡振性能。
6.但是，由于受技术条件限制，节段模型风洞试验常采用缩尺进行，缩尺比较大，对细节模拟不利，而涡振性能对结构气动外形非常敏感，缩尺比较大也容易导致结果失真；同时节段模型风洞试验无法反应结构沿纵桥向的气动外形不一致性，因此目前依赖风洞试验将三维问题二维化评判大桥的涡振性能的设计方法准确率有待进一步提高。


技术实现要素：

7.本技术实施例提供一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构及其设计方法以解决相关技术中的多个气动结构的气动外形、漩涡脱落频率及相关气动参数基本相同，在起振风速下容易发生一致性、同步性振动的问题。
8.第一方面，提供了一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构，其包括：
9.多个中央稳定板，其安装在安装梁上，并且多个所述中央稳定板沿纵桥向间隔或连续贴合分布，以形成气动结构；
10.沿纵桥向，所述安装梁的两端分别为第一端和第二端，
11.沿第一端至第二端方向，在相邻两个中央稳定板中，靠近第一端的中央稳定板顶面到所述安装梁的距离，小于靠近第二端的中央稳定板顶面到所述安装梁的距离。
12.一些实施例中，所述中央稳定板的顶面与所述安装梁所在平面平行。
13.一些实施例中，所述中央稳定板的顶面与所述安装梁所在平面之间具有夹角；
14.沿第一端至第二端方向，在相邻两个所述中央稳定板中，靠近第一端的中央稳定板顶面到所述安装梁的距离的最大值，不大于靠近第二端的中央稳定板顶面到所述安装梁的距离的最小值。
15.一些实施例中，在相邻两个所述中央稳定板中，靠近第一端的中央稳定板顶面到所述安装梁的距离最大值的一端，与靠近第二端的中央稳定板顶面到所述安装梁的距离最小值的一端相靠近。
16.一些实施例中，任意相邻两个中央稳定板的斯托罗哈数系数阶梯差不小于设定值。
17.第二方面，提供了一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构的设计方法，其包括以下步骤：
18.对多个中央稳定板进行结构风洞试验，并按照第一筛选条件，筛选出选定的中央稳定板；所述第一筛选条件为：中央稳定板满足结构颤振稳定性和结构构造尺寸要求的高度范围；
19.将选定的中央稳定板沿安装梁的纵桥向间隔分布，形成多种预选的布置方案；并按照第二筛选条件，对预选的布置方案进行筛选，筛选出备选的布置方案，所述第二筛选条件为：
20.预选的布置方案中，任意两个选定的中央稳定板的斯托罗哈数系数阶梯差不小于设定值；
21.按照第三筛选条件，对备选的布置方案进行筛选，得到最终布置方案，所述第三筛选条件为：
22.备选的布置方案中，安装梁的节点位移时程曲线对应的振幅小于起振振幅。
23.一些实施例中，按照第二筛选条件，对预选的布置方案进行筛选，包括以下步骤：
24.根据实桥结构尺寸建立安装梁的节段数值风洞模型；或对安装梁进行风洞模型实验，
25.在常遇涡振风速作用下，对所述预选的布置方案的中央稳定板进行数值风洞分析，得到选定的中央稳定板对应的漩涡脱落频率；
26.通过漩涡脱落频率计算得到选定的中央稳定板对应的斯托罗哈数；
27.若所述预选的布置方案中，存在两个选定的中央稳定板的斯托罗哈数系数阶梯差小于设定值，则筛除该预选的布置方案，否则，保留该预选的布置方案，形成备选的布置方案。
28.一些实施例中，按照第三筛选条件，对备选的布置方案进行筛选，得到最终布置方案，包括以下步骤：
29.根据实桥结构尺寸，建立安装梁节段数值风洞模型，或对安装梁进行风洞模型实验；
30.在常遇涡振风速作用下，对备选的布置方案中的中央稳定板进行数值风洞分析，得到备选的布置方案中的安装梁的受力数据，所述受力数据为安装梁每延米所受气流的阻力时程曲线、升力时程曲线和力矩时程曲线；
31.建立全桥有限元分析模型，输入所述受力数据，得到整个安装梁的位移时程曲线，截取安装梁的节点位置处的节点位移时程曲线，并与起振振幅进行比对；
32.若所述备选的布置方案中，多个节点的振幅均小于起振振幅的布置方案，则所述备选的布置方案为最终布置方案。
33.一些实施例中，所述安装梁的节点位置处包括安装梁的跨中处、1/4处、1/8处。
34.一些实施例中，若最终布置方案有多种，则选取安装梁振幅最小的布置方案。
35.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
36.本技术实施例提供了一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构及其设计方法由于安装梁上设置的多个中央稳定板沿着安装梁的纵桥向间隔分布，形成气动结构，其中相邻两个中央稳定板设置为：沿纵桥向，所述安装梁的两端分别为第一端和第二端，沿第一端至第二端方向，在相邻两个中央稳定板中，靠近第一端的中央稳定板顶面到所述安装梁的距离，小于靠近第二端的中央稳定板顶面到所述安装梁的距离；使相邻两个中央稳定板的高度不同，多个中央稳定板的形成的气动结构的高度在中央稳定板的分布方向上变化，高度变化的气动结构，使多个中央稳定板的气动外形、漩涡脱落频率及相关气动参数不相同，即气动结构上每一处的漩涡脱落频率及相关气动参数不相同，使主梁纵桥向不同断面的绕流流场形态不同，并且振动互相干扰和中和，从而破坏了气流沿主梁行车方向运动的相关性和一致性，因此降低了涡激振动的危害。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本技术实施例提供的加劲梁中央稳定板沿纵桥向突变布置的方式；
39.图2为本技术实施例提供的加劲梁中央稳定板沿纵桥向渐变布置的方式；
40.图3为本技术实施例提供的加劲梁中央稳定板横断面布置示意图；
41.图4为本技术实施例提供的中央稳定板高度为0.67m、1.02m加劲梁每延米所受气流升力时程曲线；
42.图5为本技术实施例提供的中央稳定板高度为0.67m、1.02m加劲梁每延米所受气流力矩时程曲线；
43.图6为本技术实施例提供的中央稳定板高度为0.67m时，跨中、1/4及1/8处位移时程曲线；
44.图7为本技术实施例提供的中央稳定板高度为0.67m与1.02m间隔布置时，跨中、1/4及1/8处位移时程曲线。
45.图中：1、安装梁；2、中央稳定板。
具体实施方式
46.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
47.本技术实施例提供了一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构及其设计方法以解决相关技术中的多个气动结构的气动外形、漩涡脱落频率及相关气动参数基本相同，在起振风速下容易发生一致性、同步性振动的问题。
48.请参阅图1
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3，一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构，其特征在于，包括多个中央稳定板2，多个中央为稳定板2安装在安装梁1上，并且多个中央稳定板2以两种形式沿纵桥向间分布，以形成气动结构，第一种形式为多个中央稳定板2之间设置间隔，第二种形式为多个中央稳定板2之间相贴合，不设距离，即多个中央稳定板2为整体的板子，顶部为凹凸不平，在高度上不一致。
49.其中相邻两个中央稳定板2设置为：
50.沿纵桥向，安装梁1的两端分别为第一端和第二端，
51.沿第一端至第二端方向，在相邻两个中央稳定板2中，靠近第一端的中央稳定板2顶面到安装梁1的距离，小于靠近第二端的中央稳定板2顶面到安装梁1的距离；即在纵桥向，沿第一端至第二端方向可以是大里程方向或者小里程方向，无论是哪一种方向，相邻；两个稳定板2的高度均满足上述条件，使中央稳定板2在高度上不一致。
52.其对相邻中央稳定板2的设置，保证了沿纵桥向分布在安装梁1上，任意相邻的两个中央稳定板2的高度是不同的，是变化的，无论中央稳定板2在纵桥向上如何进行排布，只要保证中央稳定板2形成的气动结构，沿纵桥向的高度是有变化的，不同的，就可以使多个中央稳定板的气动外形、漩涡脱落频率及相关气动参数不相同，即气动结构上每一处的漩涡脱落频率及相关气动参数不相同，使主梁纵桥向不同断面的绕流流场形态不同，并且振动互相干扰和中和，从而破坏了气流沿主梁行车方向运动的相关性和一致性，因此降低了涡激振动的危害。
53.在一些优选的实施例中，对于沿纵桥向分布的多个中央稳定板2的结构进行了以下设置；
54.第一种，如图1所示，中央稳定板2的顶面与安装梁1所在平面平行，中央稳定板2的顶部为一个平面，即相邻的两个中央稳定板2为突变的形式。
55.第二种，如图2所示，中央稳定板2的顶面与安装梁1所在平面之间具有夹角，形成渐变过渡的形式，顶部为一个斜面；沿第一端至第二端方向，在相邻两个中央稳定板2中，靠近第一端的中央稳定板2顶面到安装梁1的距离的最大值，不大于靠近第二端的中央稳定板2顶面到安装梁1的距离的最小值。其中中央稳定板2的顶面可以为弧面。
56.其中，第二种形式中，有两种情况：
57.在相邻两个中央稳定板2中，靠近第一端的中央稳定板2顶面到安装梁1的距离最大值的一端，与靠近第二端的中央稳定板2顶面到安装梁1的距离最小值的一端相靠近，沿着大里程方向渐变过渡。
58.在相邻两个中央稳定板2中，靠近第一端的中央稳定板2顶面到安装梁1的距离最大值的一端，与靠近第二端的中央稳定板2顶面到安装梁1的距离最大值的一端相靠近，沿着小里程方向渐变过渡。
59.第三种，将前面两种形式的中央稳定板进行融合，部分中央稳定板2为上述第一种的结构形式；余下的中央稳定板2为上述第二种的结构形式，即沿着两个方向进行渐变过渡。
60.进一步的，在以上三种中央稳定板2的结构的基础之上，可以对多个中央稳定板2在纵桥向的分布方式，进行设置，具体如下：
61.可将中央稳定板2按照高度由大到小进行排列分布；
62.或者将中央稳定板2进行交错分布，进行无顺序的排布；
63.无论以何种方式进行排布，则必须要保证任意相邻两个中央稳定板2的斯托罗哈数系数阶梯差不小于设定值，设定值可为10％，则也可以认为中央稳定板分为相间隔的多个组，每组包括两个中央稳定板2，其中每组中的两个中央稳定板2的斯托罗哈数系数阶梯差不小于10％；组与组中相靠近的稳定板2的斯托罗哈数系数阶梯差不小于10％。这样的设置提高形成的气动结构的涡振抑制性能，即增强破坏破坏了气流沿纵桥向运动的相关性和一致性的能力。
64.其中安装梁1可以是加劲梁或者，桥梁的的顶部或底部，只要沿纵桥向分布即可。
65.还提出了一种适用于大跨度桥梁的涡振抑制结构的设计方法即对以上的气动结构的尺寸和布置方式进行计算，其包括以下步骤：
66.对多个中央稳定板2进行结构风洞试验，并按照第一筛选条件，确定选定的中央稳定板2；第一筛选条件为：中央稳定板2满足结构颤振稳定性和结构构造尺寸要求的高度范围hmin～hmax；即在一批不同高度的中央稳定板2中选出符合要求的，不符合的进行筛除。
67.将选定的中央稳定板2沿安装梁1的纵桥向间隔分布，形成预选的布置方案，预选的布置方案可按照上述提出的中央稳定板2结构和排布布置方式，形成多种情形的预选的布置方案；
68.按照第二筛选条件，对预选的布置方案进行筛选，得出备选的布置方案，第二筛选条件为：
69.预选的布置方案中，任意两个选定的中央稳定板2的斯托罗哈数系数阶梯差不小于10％；
70.按照第三筛选条件，对备选的布置方案进行筛选，得到最终布置方案，第三筛选条件为：
71.备选的布置方案中，安装梁1的节点位移时程曲线对应的振幅小于起振振幅。
72.通过以上方式能够计算并验证而出能够有效得出抑制涡振的结构，并且该算计算分析方法，考虑到沿桥纵向的气动结构高度不一致的三维涡振计算分析方法，为结构涡振性能评判提供更为准确的依据；
73.相比较相关技术中，节段模型风洞试验常采用缩尺进行，缩尺比较大，对细节模拟不利，而涡振性能对结构气动外形非常敏感，缩尺比较大也容易导致结果失真；同时节段模型风洞试验无法反应结构沿纵桥向的气动外形不一致性所带来的问题相比，采用多个筛选条件进行计算分析，其对结构的抑制涡振的性能评判提供更为准确的依据。
74.在一些优选的实施例中，如何对按照第二筛选条件，对预选的布置方案进行筛选，得出备选的布置方案，具体包括以下步骤：
75.根据实桥结构尺寸建立安装梁1的节段数值风洞模型；或对安装梁1风洞模型实验，
76.在常遇涡振风速vc作用下，对选定的中央稳定板2(中央稳定板2高度为h，hmin≤h≤hmax)进行数值风洞分析，得到不同高度h的选定的中央稳定板2对应的漩涡脱落频率f；
77.通过漩涡脱落频率f计算得到选定的中央稳定板2对应的斯托罗哈数st以及涡振起振风速v
w
；
78.根据斯托罗哈数st，按照第二筛选条件进行筛选：
79.若预选的布置方案中，存在两个选定的中央稳定板2的斯托罗哈数系数阶梯差小于10％，则删除该预选的布置方案；
80.否则，保留该预选的布置方案，形成备选的布置方案；即确定预选的布置方案全桥选定的中央稳定板2纵向高度的不同取值(h0，h1，
……
，hw)，要求hi、hi+1对应的斯托罗哈数{st(i)
‑
st(i+1)}/st(i+1)≥10％，对符合要求的预选方案进行保留。
81.在一些优选的实施例中，按照第三筛选条件，对备选的布置方案进行筛选，得到最终布置方案，包括以下步骤：
82.根据实桥结构尺寸，建立安装梁1节段数值风洞模型，或对安装梁1进行风洞模型实验；
83.在常遇涡振风速vc作用下，对备选的布置方案中的中央稳定板2进行数值风洞分析，得到备选的布置方案中选定的中央稳定板2下方对应的安装梁1的受力数据，受力数据为安装梁1每延米所受气流的阻力时程曲线fh(t)、升力时程曲线fv(t)、力矩时程曲线fm(t)；
84.建立全桥有限元分析模型，输入不同备选方案对应的受力数据，得到不同备选方案对应的整个安装梁1的位移时程曲线s(t)，并截取安装梁1的节点位置处的节点位移时程曲线s(t)；
85.将节点位移时程曲线s(t)上多个节点的振幅，与起振振幅进行比对；若备选的布置方案中，多个节点的振幅均小于起振振幅的布置方案，则该为最终布置方案。
86.进一步的，安装梁1的节点位置处包括安装梁1的跨中处、1/4处、1/8处。
87.进一步的，当得出的最终布置方案有多种，则选取安装梁1振幅最小的布置方案。
88.下面以中央稳定板为0.67m和1.02m为例进行说明，0.67m和1.02m满足hmin≤h≤hmax的条件；并且有两种形式：
89.第一种，高度为0.67m的多个中央稳定板2，均匀间隔排布设置；
90.第二种，高度为0.67m和高度为1.02m的中央稳定板2形成一组，每组每间隔每隔9m间隔布置；两种中央稳定板2的顶部的高度不变，为平面。
91.按照上述的计算后得出，参见表一和表二，
92.表一为中央稳定板高度为0.67m、1.02m数值风洞仿真分析斯托罗哈数st计算结果。
[0093][0094][0095]
表二为中央稳定板高度为0.67m纵桥向均匀布置与0.67m与1.02m纵桥向间隔布置典型节点断面振幅对比表。
[0096][0097]
由上可知，高度为0.67m和高度为1.02m的斯托罗哈数系数大28％，满足阶梯差大于等于10％的要求。
[0098]
第二种布置的方式与第一种布置的方式相比，节点位置的断面处的数据为：跨中最大正负向振幅降低约20％以上，1/4及1/8断面处最大正负向振幅降低约50％
‑
60％，则证明具有加强抑制涡振效果，破坏了气流沿主梁行车方向运动的相关性和一致性。
[0099]
综上所述，得到了一种沿纵桥向主梁结构气动外形不断变化的抑制涡振结构，随着设置的中央稳定板纵向高度高低变化，主梁纵向流场形态各异，破坏了气流沿纵桥向运动的相关性和一致性，大大降低涡击力及涡振振幅，形成一种适用于大跨度悬索桥的涡振抑制结构。
[0100]
以及针对结构沿纵桥向的气动外形不一致的三维涡振计算分析方法，得出最小振幅对应的中央稳定板2布置形成的气动结构，其更为准确。大大降低了涡激振动的危害，在大跨度悬索桥中应用前景广阔。
[0101]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0102]
需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排
除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0103]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。