專利名稱：抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)致振動(dòng)控制技術(shù)，具體說(shuō)就是一種抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著跨度的增加，橋梁變得越來(lái)越柔，阻尼也將越來(lái)越小，這必將使大跨度橋梁的風(fēng)效應(yīng)顯著增強(qiáng)。對(duì)于大跨度橋梁而言，渦激振動(dòng)是一種典型的風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。渦激振動(dòng)是指當(dāng)流體繞過(guò)橋面時(shí)，在箱梁斷面的尾部將產(chǎn)生旋渦脫落，當(dāng)旋渦脫離的頻率與主梁某階固有頻率相近時(shí)，此時(shí)將產(chǎn)生大幅的渦激共振。雖然渦激振動(dòng)是一種限幅振動(dòng)，但它在小風(fēng)速下就可能發(fā)生(對(duì)于大跨度懸索橋而言，一般為4-12m/s)，誘發(fā)頻率高且振動(dòng)幅值較大， 影響行車(chē)安全，還可能產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)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(dòng)現(xiàn)象，比如丹麥的大海帶東橋，日本的東京灣大橋等。對(duì)于超大跨度懸索橋梁而言，為了獲得較高的臨界顫振風(fēng)速，一般將主梁設(shè)計(jì)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(dòng)穩(wěn)定性，但由于兩個(gè)箱梁間空隙的存在，使得箱梁周?chē)牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，旋渦脫落特性顯著增強(qiáng)，從而加劇了主梁渦激振動(dòng)。目前關(guān)于分離式箱梁渦振控制措施的還相對(duì)較少，因此有必要針對(duì)分離式箱梁的渦激振動(dòng)開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)單、安全和實(shí)用性強(qiáng)的渦激振動(dòng)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(dòng)控制措施主要有兩種一種方法是在箱梁下表面角點(diǎn)附近安裝導(dǎo)流板；另外一種方法是在箱梁內(nèi)安裝被動(dòng)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(dá)到減輕或消除渦激振動(dòng)的目的。該方法在大跨度橋梁渦振控制中運(yùn)用較為廣泛，最典型的一個(gè)運(yùn)用實(shí)例是該控制措施成功抑制了丹麥大海帶東橋的渦激振動(dòng)。但是，張偉等利用PIV技術(shù)對(duì)大海帶東橋?qū)Я靼鍖?duì)流場(chǎng)作用的機(jī)理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)在低風(fēng)速區(qū)導(dǎo)流板能夠消除箱梁底部的旋渦；在高風(fēng)速區(qū)，導(dǎo)流板雖不會(huì)對(duì)箱梁底部的流場(chǎng)造成顯著的影響，但會(huì)改變尾跡區(qū)旋渦的分布狀態(tài)，對(duì)顫振穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。此外，Larose對(duì)昂船州大橋?qū)Я靼屣L(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Re數(shù)對(duì)導(dǎo)流板的減振效果具有重要的影響，Re數(shù)較低時(shí)，壁面邊界層較厚，導(dǎo)流板浸沒(méi)于邊界層內(nèi)，沒(méi)有足夠的氣流通過(guò)，從而無(wú)法將形成的旋渦打碎。目前導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)一般以風(fēng)洞縮尺模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，然而風(fēng)洞試驗(yàn)Re數(shù)無(wú)法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)足尺Re數(shù)，因此設(shè)計(jì)出的導(dǎo)流板在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)橋中是否能起到很好的控制效果，仍需進(jìn)一步研究。TMD的工作原理是通過(guò)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(dòng)的能量傳遞到TMD上，從而達(dá)到減弱結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。Fujino針對(duì)東京灣大橋出現(xiàn)的渦激振動(dòng)，開(kāi)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(shí)橋后取得了良好的控制效果。但對(duì)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(dòng)，而TMD —般只能控制某一階振型的響應(yīng)，這一特征將嚴(yán)重限制TMD在大跨度懸索橋梁渦振控制中的運(yùn)用。此外TMD自身質(zhì)量較重，這無(wú)疑會(huì)極大增加橋梁豎向荷載。目前，運(yùn)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(duì)流
3場(chǎng)的特點(diǎn)，主動(dòng)改變橋梁流場(chǎng)，使橋梁在各個(gè)階段都具有較好的氣動(dòng)特性，則能達(dá)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(dòng)控制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它是由渦激振動(dòng)感知單元、渦激振動(dòng)控制單元、渦激振動(dòng)制動(dòng)單元和渦激振動(dòng)控制板單元組成的，其特征在于渦激振動(dòng)感知單元連接渦激振動(dòng)控制單元，渦激振動(dòng)控制單元連接渦激振動(dòng)制動(dòng)單元，渦激振動(dòng)制動(dòng)單元連接渦激振動(dòng)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(dòng)感知單元包括兩個(gè)單向高精度加速度傳感器、兩個(gè)三維超聲風(fēng)速儀、A/D數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)，兩個(gè)單向高精度加速度傳感器和兩個(gè)三維超聲風(fēng)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(jī)。(2)所述的渦激振動(dòng)控制單元由D/A轉(zhuǎn)換卡組成。(3)所述的渦激振動(dòng)制動(dòng)單元由四臺(tái)電機(jī)、四根導(dǎo)向軌道和兩根導(dǎo)向桿構(gòu)成，電機(jī)連接導(dǎo)向軌道和導(dǎo)向桿。(4)所述的渦激振動(dòng)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(yè)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(yè)連接，渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，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(dòng)結(jié)束時(shí)，在控制指令作用下控制板向后折疊，將空隙打開(kāi)。本發(fā)明一種抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)，所述的渦激振動(dòng)控制板單元在渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)自動(dòng)將空隙封閉，從而完全消除分離式箱梁的渦激振動(dòng)。此外渦激振動(dòng)結(jié)束后，渦激振動(dòng)控制板單元的控制板能自動(dòng)收縮至折疊狀態(tài)，從而避免對(duì)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(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)大跨度橋梁的渦激振動(dòng)迅速做出響應(yīng)，進(jìn)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(dòng)控制系統(tǒng)集成示意圖；圖2為抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)的控制系統(tǒng)渦激振動(dòng)感知單元和渦激振動(dòng)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(fēng)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(dòng)控制算法軟件，(7)工控機(jī)，(8) :D/A 轉(zhuǎn)換卡；圖3為抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)渦激振動(dòng)制動(dòng)單元示意圖，圖中(9) 電機(jī)，(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(dòng)控制系統(tǒng)的伸展形式的渦激振動(dòng)控制板單元示意圖，圖中(12)輕質(zhì)碳纖維板，(13)合頁(yè)；圖5為抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)的折疊形式的渦激振動(dòng)控制板單元示意圖；圖6為抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制效果圖7為抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)所在位置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)，它是由渦激振動(dòng)感知單元、渦激振動(dòng)控制單元、渦激振動(dòng)制動(dòng)單元和渦激振動(dòng)控制板單元組成的，渦激振動(dòng)感知單元連接渦激振動(dòng)控制單元，渦激振動(dòng)控制單元連接渦激振動(dòng)制動(dòng)單元，渦激振動(dòng)制動(dòng)單元連接渦激振動(dòng)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(dòng)感知單元包括兩個(gè)單向高精度加速度傳感器、兩個(gè)三維超聲風(fēng)速儀、A/D數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)，兩個(gè)單向高精度加速度傳感器和兩個(gè)三維超聲風(fēng)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(jī)。所述的渦激振動(dòng)控制單元由D/A轉(zhuǎn)換卡組成。所述的渦激振動(dòng)制動(dòng)單元由四臺(tái)電機(jī)、四根導(dǎo)向軌道和兩根導(dǎo)向桿構(gòu)成，電機(jī)連接導(dǎo)向軌道和導(dǎo)向桿。所述的渦激振動(dòng)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(yè)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(yè)連接，渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，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(dòng)結(jié)束時(shí)，在控制指令作用下輕質(zhì)碳纖維板向后折疊，將空隙打開(kāi)。實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)包括四個(gè)部分渦激振動(dòng)感知單元、渦激振動(dòng)控制單元、渦激振動(dòng)制動(dòng)單元和渦激振動(dòng)控制板單元。渦激振動(dòng)感知單元實(shí)時(shí)采集和分析橋面加速度和橋址自由風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速。渦激振動(dòng)控制單元實(shí)時(shí)判斷橋梁是否發(fā)生渦激振動(dòng)或渦激振動(dòng)是否消失，進(jìn)而發(fā)出控制指令，該單元主要由渦激振動(dòng)控制算法軟件和D/A轉(zhuǎn)換卡構(gòu)成。渦激振動(dòng)制動(dòng)單元根據(jù)渦激振動(dòng)控制單元發(fā)出的指令采取動(dòng)作，渦激振動(dòng)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(yè)(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(yè)連接方式。渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，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(dòng)結(jié)束時(shí)，在控制指令引導(dǎo)輕質(zhì)碳纖維板向后折疊，將空隙打開(kāi)。渦激振動(dòng)感知單元實(shí)時(shí)采集橋面加速度和橋面周?chē)杂娠L(fēng)速信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)按一定時(shí)距處理，得到一定時(shí)距下的加速均方值、平均風(fēng)速、平均風(fēng)向角和湍流度。然后渦激振動(dòng)控制單元實(shí)時(shí)調(diào)用感知單元中得到的一定時(shí)距下的橋面加速均方值、平均風(fēng)速、平均風(fēng)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(shí)判斷是否發(fā)生渦激振動(dòng)或渦激振動(dòng)是否消失。若渦激振動(dòng)制動(dòng)單元從渦激振動(dòng)控制單元中得到控制指令，則帶動(dòng)控制板進(jìn)行向前伸展或向后收縮運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到目標(biāo)位置為止。實(shí)施例3，結(jié)合圖6，本發(fā)明抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性在風(fēng)洞試驗(yàn)中得到很好的驗(yàn)證，圖6為分離式箱梁渦激振動(dòng)在有控和無(wú)控下分離式箱梁振動(dòng)位移均方值隨折減風(fēng)速的變化(實(shí)線代表無(wú)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(duì)振動(dòng)位移取均方根值，D為分離式箱梁中心高度，Ur表示折減風(fēng)速，U為來(lái)流風(fēng)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(dòng)；控制后，分離式箱梁的振動(dòng)幾乎為零，控制效果極其顯著。實(shí)施例4，結(jié)合一個(gè)具體渦激振動(dòng)控制實(shí)例，說(shuō)明抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程。感知單元實(shí)時(shí)采集橋面加速度和橋面周?chē)杂娠L(fēng)速信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)按 10分鐘時(shí)距處理，得到10分鐘時(shí)距下的加速均方值25cm/s2、平均風(fēng)速12m/s、平均風(fēng)向角 270°和湍流度4%。然后控制單元實(shí)時(shí)調(diào)用感知單元中得到的10分鐘時(shí)距下的橋面加速均方值、平均風(fēng)速、平均風(fēng)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(fēng)速處于5-13m/s間，平均風(fēng)向角位于沈5° -280°，湍流度小于8%，控制程序判定此時(shí)發(fā)生渦激振動(dòng)，制動(dòng)單元從控制單元中得到控制指令，作動(dòng)器帶動(dòng)輕質(zhì)碳纖維板進(jìn)行向前伸展運(yùn)動(dòng)，將空隙封閉。感知單元實(shí)時(shí)采集橋面加速度和橋面周?chē)杂娠L(fēng)速信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)按10分鐘時(shí)距處理，得到平均風(fēng)向角220。然后控制單元實(shí)時(shí)調(diào)用感知單元中得到的10分鐘時(shí)距下的橋面加速均方值、平均風(fēng)速、平均風(fēng)向角和湍流度并將這些參數(shù)代入控制程序。平均風(fēng)向角小于265°，控制程序判定此時(shí)未發(fā)生渦激振動(dòng)，制動(dòng)單元從控制單元中得到控制指令，作動(dòng)器帶動(dòng)輕質(zhì)碳纖維板進(jìn)行向后收縮運(yùn)動(dòng)，將空隙打開(kāi)。實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)包括四個(gè)部分感知單元部分、控制單元部分、制動(dòng)單元部分和渦激振動(dòng)控制板裝置。感知單元部分實(shí)時(shí)采集和分析橋面加速度和橋址自由風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速，該單元主要由兩個(gè)單向高精度加速度傳感器、兩個(gè)三維超聲風(fēng)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(shí)時(shí)分析軟件和一臺(tái)工控機(jī)組成；控制單元部分實(shí)時(shí)判斷橋梁是否發(fā)生渦激振動(dòng)或渦激振動(dòng)是否消失，進(jìn)而發(fā)出控制指令，該單元主要由渦激振動(dòng)控制算法軟件和D/A轉(zhuǎn)換卡構(gòu)成；制動(dòng)單元部分根據(jù)控制單元發(fā)出的指令采取動(dòng)作，該單元主要由四臺(tái)同步電機(jī)、四個(gè)導(dǎo)向軌道和兩根導(dǎo)向桿組成；渦激振動(dòng)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(yè)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(yè)。第四塊纖維板與導(dǎo)向桿連接。渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，在控制指令引導(dǎo)下，導(dǎo)向桿在電機(jī)的帶動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，處于折疊狀態(tài)的輕質(zhì)碳纖維板在導(dǎo)向桿的帶動(dòng)下，相繼展開(kāi)，直至四塊輕質(zhì)碳纖維板完全展開(kāi)將空隙封閉；渦振激振動(dòng)結(jié)束時(shí)，在控制指令引導(dǎo)下，導(dǎo)向桿在電機(jī)的帶動(dòng)下向后運(yùn)動(dòng)，處于展開(kāi)狀態(tài)的輕質(zhì)碳纖維板在導(dǎo)向桿的帶動(dòng)下，相繼折疊，直至空隙完全打開(kāi)。
權(quán)利要求
1.一種抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)，它是由渦激振動(dòng)感知單元、渦激振動(dòng)控制單元、渦激振動(dòng)制動(dòng)單元和渦激振動(dòng)控制板單元組成的，其特征在于渦激振動(dòng)感知單元連接渦激振動(dòng)控制單元，渦激振動(dòng)控制單元連接渦激振動(dòng)制動(dòng)單元，渦激振動(dòng)制動(dòng)單元連接渦激振動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的渦激振動(dòng)感知單元包括兩個(gè)單向高精度加速度傳感器、兩個(gè)三維超聲風(fēng)速儀、A/D數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)，兩個(gè)單向高精度加速度傳感器和兩個(gè)三維超聲風(fēng)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(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的渦激振動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的渦激振動(dòng)制動(dòng)單元由四臺(tái)電機(jī)、四根導(dǎo)向軌道和兩根導(dǎo)向桿構(gòu)成，電機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的渦激振動(dòng)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(yè)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(yè)連接，渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)，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(dòng)結(jié)束時(shí)，在控制指令作用下輕質(zhì)碳纖維板向后折疊，將空隙打開(kāi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種抑制分離式箱梁渦激振動(dòng)控制系統(tǒng)。渦激振動(dòng)感知單元連接渦激振動(dòng)控制單元，渦激振動(dòng)控制單元連接渦激振動(dòng)制動(dòng)單元，渦激振動(dòng)制動(dòng)單元連接渦激振動(dòng)控制板單元。渦激振動(dòng)感知單元的兩個(gè)單向高精度加速度傳感器和兩個(gè)三維超聲風(fēng)速儀連接A/D數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。渦激振動(dòng)制動(dòng)單元的電機(jī)連接導(dǎo)向軌道和導(dǎo)向桿。渦激振動(dòng)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(dòng)控制板單元在渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)自動(dòng)將空隙封閉，從而完全消除分離式箱梁的渦激振動(dòng)。控制板能自動(dòng)收縮至折疊狀態(tài)，避免對(duì)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(chǎng)大跨度橋梁的渦激振動(dòng)迅速做出響應(yīng)，進(jìn)而采取相應(yīng)的控制措施。
文檔編號(hào)E01D19/00GK102505627SQ201110365848
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)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(shù)金 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)