專利名稱：抑制分離式箱梁渦激振動控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及風致振動控制技術，具體說就是一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統。
背景技術：
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生(對于大跨度懸索橋而言，一般為4-12m/s)，誘發頻率高且振動幅值較大， 影響行車安全，還可能產生長時間的疲勞損傷。目前，在一些大跨度橋梁上均出現到了渦激振動現象，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構異常復雜，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一套簡單、安全和實用性強的渦激振動控制裝置和相應的控制系統。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流板；另外一種方法是在箱梁內安裝被動調諧質量阻尼器，即TMD。安裝導流板控制措施的原理是利用導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技術對大海帶東橋導流板對流場作用的機理進行研究發現在低風速區導流板能夠消除箱梁底部的旋渦；在高風速區，導流板雖不會對箱梁底部的流場造成顯著的影響，但會改變尾跡區旋渦的分布狀態，對顫振穩定性產生不利影響。此外，Larose對昂船州大橋導流板風洞試驗發現，Re數對導流板的減振效果具有重要的影響，Re數較低時，壁面邊界層較厚，導流板浸沒于邊界層內，沒有足夠的氣流通過，從而無法將形成的旋渦打碎。目前導流板的設計一般以風洞縮尺模型試驗為基礎，然而風洞試驗Re數無法達到現場足尺Re數，因此設計出的導流板在現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節TMD自身的質量、剛度和阻尼系統將結構振動的能量傳遞到TMD上，從而達到減弱結構振動的目的。Fujino針對東京灣大橋出現的渦激振動，開發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，經常發生不同模態下的渦激振動，而TMD —般只能控制某一階振型的響應，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。

發明內容
本發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。本發明的目的是這樣實現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。本發明還有以下技術特征(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數據采集卡和工控機，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數據采集卡，A/D數據采集卡連接工控機。(2)所述的渦激振動控制單元由D/A轉換卡組成。(3)所述的渦激振動制動單元由四臺電機、四根導向軌道和兩根導向桿構成，電機連接導向軌道和導向桿。(4)所述的渦激振動控制板單元由四塊輕質碳纖維板組成，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壁上方連接方式也是合頁連接，渦激振動發生時，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，渦激振動結束時，在控制指令作用下控制板向后折疊，將空隙打開。本發明一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統，所述的渦激振動控制板單元在渦激振動發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，從而避免對大跨度橋梁的顫振效應產生影響。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，本發明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統能夠對現場大跨度橋梁的渦激振動迅速做出響應，進而采取相應的控制措施。


圖1為抑制分離式箱梁渦激振動控制系統集成示意圖；圖2為抑制分離式箱梁渦激振動的控制系統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數據采集卡， (4)數據采集軟件，(5)數據分析軟件，(6)渦激振動控制算法軟件，(7)工控機，(8) :D/A 轉換卡；圖3為抑制分離式箱梁渦激振動控制系統渦激振動制動單元示意圖，圖中(9) 電機，(10)導向軌道，(11)導向桿;圖4為抑制分離式箱梁渦激振動控制系統的伸展形式的渦激振動控制板單元示意圖，圖中(12)輕質碳纖維板，(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所在位置示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明作進一步說明。實施例1 結合圖1，本發明一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統，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。本發明還有以下技術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數據采集卡和工控機，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數據采集卡，A/D數據采集卡連接工控機。所述的渦激振動控制單元由D/A轉換卡組成。所述的渦激振動制動單元由四臺電機、四根導向軌道和兩根導向桿構成，電機連接導向軌道和導向桿。所述的渦激振動控制板單元由四塊輕質碳纖維板組成，輕質碳纖維板之間由合頁連接，可自由伸展和折疊，第一塊輕質碳纖維板與箱梁側壁上方連接方式也是合頁連接，渦激振動發生時，在控制指令作用下輕質碳纖維板向前伸張將分離式箱梁空隙封閉，渦激振動結束時，在控制指令作用下輕質碳纖維板向后折疊，將空隙打開。實施例2 結合圖1-圖4，本發明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統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生渦激振動或渦激振動是否消失，進而發出控制指令，該單元主要由渦激振動控制算法軟件和D/A轉換卡構成。渦激振動制動單元根據渦激振動控制單元發出的指令采取動作，渦激振動控制板單元由四塊輕質碳纖維板(1 組成，輕質碳纖維板之間由合頁(1 連接，可自由伸張和折疊。第一塊輕質碳纖維板與箱梁側壁上方連接方式也是合頁連接方式。渦激振動發生時，在控制指令引導下輕質碳纖維板向前伸張將分離式箱梁空隙封閉；渦振激振動結束時，在控制指令引導輕質碳纖維板向后折疊，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代入控制程序，控制程序實時判斷是否發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，結合圖6，本發明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統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(實線代表無控的結果，虛線代表使用本發明的控制裝置后的結果)。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代入控制程序。平均風向角小于265°，控制程序判定此時未發生渦激振動，制動單元從控制單元中得到控制指令，作動器帶動輕質碳纖維板進行向后收縮運動，將空隙打開。實施例5，結合圖1、圖2、圖3和圖4，本發明抑制分離式箱梁渦激振動控制系統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數據采集卡、一套數據采集軟件、一套數據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生渦激振動或渦激振動是否消失，進而發出控制指令，該單元主要由渦激振動控制算法軟件和D/A轉換卡構成；制動單元部分根據控制單元發出的指令采取動作，該單元主要由四臺同步電機、四個導向軌道和兩根導向桿組成；渦激振動控制板裝置由四塊輕質碳纖維板組成，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壁上方連接，連接件為合頁。第四塊纖維板與導向桿連接。渦激振動發生時，在控制指令引導下，導向桿在電機的帶動下向前運動，處于折疊狀態的輕質碳纖維板在導向桿的帶動下，相繼展開，直至四塊輕質碳纖維板完全展開將空隙封閉；渦振激振動結束時，在控制指令引導下，導向桿在電機的帶動下向后運動，處于展開狀態的輕質碳纖維板在導向桿的帶動下，相繼折疊，直至空隙完全打開。
權利要求
1.一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統，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.根據權利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動控制系統，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數據采集卡和工控機，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數據采集卡，A/D 數據采集卡連接工控機。
3.根據權利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動控制系統，其特征在于所述的渦激振動控制單元由D/A轉換卡組成。
4.根據權利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動控制系統，其特征在于所述的渦激振動制動單元由四臺電機、四根導向軌道和兩根導向桿構成，電機連接導向軌道和導向桿。
5.根據權利要求1所述的抑制分離式箱梁渦激振動控制系統，其特征在于所述的渦激振動控制板單元由四塊輕質碳纖維板組成，輕質碳纖維板之間由合頁連接，可自由伸展和折疊，第一塊輕質碳纖維板與箱梁側壁上方連接方式也是合頁連接，渦激振動發生時，在控制指令作用下輕質碳纖維板向前伸張將分離式箱梁空隙封閉，渦激振動結束時，在控制指令作用下輕質碳纖維板向后折疊，將空隙打開。
全文摘要
本發明提供一種抑制分離式箱梁渦激振動控制系統。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數據采集卡和工控機。渦激振動制動單元的電機連接導向軌道和導向桿。渦激振動控制板單元的四塊輕質碳纖維板可自由伸展和折疊。本發明的渦激振動控制板單元在渦激振動發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。控制板能自動收縮至折疊狀態，避免對大跨度橋梁的顫振效應產生影響。本發明能夠對現場大跨度橋梁的渦激振動迅速做出響應，進而采取相應的控制措施。
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 優先權日2011年11月3日
發明者李惠, 賴馬樹金 申請人:哈爾濱工業大學