專利名稱：：大跨橋梁抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及橋梁工程，具體是指大跨橋梁抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)。目前的大跨橋梁顫振控制研究主要有結(jié)構(gòu)措施、空氣動(dòng)力學(xué)措施和機(jī)械阻尼措施三個(gè)方向。結(jié)構(gòu)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(shè)置交叉吊索系統(tǒng)等；空氣動(dòng)力學(xué)措施的一般做法有調(diào)整加勁梁的氣動(dòng)外形、設(shè)置中央穩(wěn)定板及中央開(kāi)槽等；機(jī)械阻尼措施的工程應(yīng)用主要通過(guò)安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來(lái)提高橋梁結(jié)構(gòu)阻尼。大量的工程實(shí)踐證實(shí)了這些研究在有效控制大跨橋梁風(fēng)動(dòng)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(shè)，21世紀(jì)的國(guó)際橋梁工程已經(jīng)進(jìn)入跨海連島工程的新時(shí)期。在21世紀(jì)上半葉，規(guī)劃中的歐亞博斯普魯斯海峽第三通道、中國(guó)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(shí)踐。為避開(kāi)海洋超深水基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)剛度急劇減弱，這使風(fēng)致振動(dòng)特別是顫振穩(wěn)定性對(duì)橋梁安全性的影響更加重要。再加上來(lái)自海上臺(tái)風(fēng)的威脅，未來(lái)超大跨跨海大橋的建設(shè)將必然面臨更高的抗風(fēng)穩(wěn)定性要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種大跨橋梁抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)，該系統(tǒng)的阻尼構(gòu)件能在橋梁加勁梁發(fā)生豎向振動(dòng)時(shí)在水中發(fā)生相應(yīng)振動(dòng)，由此耗散巨大能量并產(chǎn)生巨大阻力來(lái)抑制加勁梁振動(dòng)，從而提高橋梁在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性；它可充分利用天然水資源，實(shí)施大規(guī)模廉價(jià)而又功能強(qiáng)大的的阻尼措施。本發(fā)明的技術(shù)方案是，所述大跨橋梁抗風(fēng)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(shè)置用吊索拉住并浸沒(méi)在水中的阻尼構(gòu)件，該阻尼構(gòu)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(guān)系，A。^3Ax。如A。二10Ax，A。二20Ax，A。二100Ax等。以下對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說(shuō)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(shè)置用吊索拉住并浸沒(méi)在水中的阻尼構(gòu)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(gòu)件。所述阻尼構(gòu)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(gòu)件。如水平薄板即是其中的一種。該阻尼構(gòu)件的重力大于浮力而可浸沒(méi)在水中。本發(fā)明的主要工作原理是，借助橋梁結(jié)構(gòu)外部作用(橋梁加勁梁振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)大面積阻尼構(gòu)件在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的巨大阻力)抑制橋梁加勁梁的振動(dòng)，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(fēng)作用下的穩(wěn)定性問(wèn)題，并有可能較大程度地減小大跨橋梁建設(shè)的造價(jià)，取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。本發(fā)明的技術(shù)方案已經(jīng)在湖南大學(xué)風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)研究中心HD-2號(hào)風(fēng)洞第一試驗(yàn)段得到試驗(yàn)檢驗(yàn)。試驗(yàn)以某特大懸索橋?yàn)楸尘?，開(kāi)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(yàn)研究，其中每種情況都進(jìn)行了設(shè)置抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)前后的試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明抗風(fēng)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(fēng)速；其抗風(fēng)減振效果，與阻尼構(gòu)件的面積分布率(所謂面積分布率是指阻尼構(gòu)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(guān)，且成單調(diào)遞增關(guān)系，面積分布率越大，效果越明顯。試驗(yàn)橋梁的扭彎頻率比為3.0,其采用的抗風(fēng)措施為"設(shè)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(dòng)措施，其顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為51.5m/s。試驗(yàn)測(cè)得該橋在0°風(fēng)攻角情況下的實(shí)橋顫振臨界風(fēng)速為70.65m/s。去掉該大橋的氣動(dòng)措施后，節(jié)段模型顫振風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的在0°風(fēng)攻角情況下，換算到實(shí)橋后的顫振臨界風(fēng)速結(jié)果，見(jiàn)下表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表注表中"開(kāi)孔率"是指阻尼構(gòu)件開(kāi)孔面積與阻尼構(gòu)件面積的比值;表中ft/fh的是指橋梁的扭彎頻率比。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)1.在設(shè)置抗風(fēng)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(fēng)速都有大幅提高。舉阻尼構(gòu)件面積分布率為10.82%、開(kāi)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(shí)，與不設(shè)阻尼措施前相比，橋梁的顫振臨界風(fēng)速增幅分別達(dá)127.5%、122.4%、56.6%和140.1%;2.對(duì)扭彎頻率比f(wàn)t/fh=3.0的試驗(yàn)大橋?qū)崢?，阻尼?gòu)件面積分布率僅為10.82%而不設(shè)中央穩(wěn)定板的阻尼措施，測(cè)得的最低顫振臨界風(fēng)速達(dá)90.7m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)既不設(shè)中央穩(wěn)定板也不設(shè)水下阻尼系統(tǒng)情況下的40.4m/s，增幅達(dá)124.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)要求的51.5m/s的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，增幅達(dá)76.1%，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)置中央穩(wěn)定板、但不設(shè)置抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)情況下的70.65m/s，增幅達(dá)28.4%，效果非常明顯。通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論(1)設(shè)置抗風(fēng)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(fēng)速，只需較小的分布規(guī)模就能取得很好的抗風(fēng)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(fēng)水下阻尼系統(tǒng)的抗風(fēng)減振效果，與阻尼構(gòu)件的面積分布率密切相關(guān)，且成單調(diào)遞增關(guān)系，阻尼構(gòu)件面積分布率越大，抗風(fēng)減振效果越好；不難預(yù)測(cè)，當(dāng)阻尼構(gòu)件面積分布率達(dá)到一定規(guī)模，就可能消除顫振失穩(wěn)對(duì)大跨度橋梁帶來(lái)的災(zāi)難；(3)在橋梁扭彎頻率比相同的情況下，與空氣動(dòng)力學(xué)措施相比，抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)的抗風(fēng)性能有一定的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明技術(shù)方案主要適用于大跨度柔性橋梁。對(duì)跨海橋梁，建設(shè)超大跨度(尤其是3000米以上)的一個(gè)重要原因是為了避開(kāi)海洋深水基礎(chǔ)，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(shè)置抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)；特別是，對(duì)于目前專家提出的長(zhǎng)達(dá)120多公里的臺(tái)灣海峽通道等龐大工程，只需在關(guān)鍵地段設(shè)置幾個(gè)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(shè)置抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)。本發(fā)明技術(shù)方案中的阻尼構(gòu)件可重點(diǎn)考慮設(shè)置在水流速比較小的水域，根據(jù)海洋水速?gòu)乃嫱鲁手笖?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(gòu)件深入到水流較小的水下。通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)上合理設(shè)置抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)，能使其更容易滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性要求，并能夠有效減弱橋梁的設(shè)計(jì)，使之更符合經(jīng)濟(jì)性要求。由以上可知，本發(fā)明為一種大跨橋梁抗風(fēng)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(jià)而又功能強(qiáng)大的的阻尼措施，通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)外部作用——阻尼構(gòu)件能在橋梁加勁梁發(fā)生豎向振動(dòng)時(shí)在水中發(fā)生相應(yīng)振動(dòng)，由此耗散巨大能量并產(chǎn)生巨大阻力來(lái)抑制加勁梁振動(dòng)，從而能較大程度提高橋梁在風(fēng)荷載作用下的顫振穩(wěn)定性，并且能有效地抑制渦激振動(dòng)。圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例的阻尼系統(tǒng)沿橋縱向立面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明另一種實(shí)施例的阻尼系統(tǒng)沿橋縱向立面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明另一種實(shí)施例的阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在上述附圖中l(wèi)一懸索橋，2—水底，3—阻尼構(gòu)件，4一水面，5—吊索，6—加勁梁，7—主纜，8—固定構(gòu)件，9一豎向減振彈簧，IO—橫向減振彈簧具體實(shí)施例方式實(shí)施例l:如圖1和圖2所示，以懸索橋?yàn)槔骱降牢挥诳缰袝r(shí)阻尼系統(tǒng)的設(shè)置是，在主航道兩側(cè)分別設(shè)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(méi)在水中的阻尼構(gòu)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(gòu)件3;該阻尼構(gòu)件3為水平薄板，所述水平薄板的面積與厚度之比為50。實(shí)施例2:如圖3和圖4所示，以懸索橋?yàn)槔?，主航道位于跨中時(shí)阻尼系統(tǒng)的設(shè)置是，在主航道兩側(cè)分別設(shè)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(méi)在水中的阻尼構(gòu)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(gòu)件3。該阻尼構(gòu)件3為水平薄板，所述水平薄板的面積與厚度之比為100。實(shí)施例3:對(duì)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(jí)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(gòu)件3;在所述阻尼構(gòu)件3下方設(shè)置位于水底的固定構(gòu)件8，該固定構(gòu)件8與所述阻尼構(gòu)件3之間用彈性構(gòu)件連接，所述彈性構(gòu)件可以是彈簧或其它適宜的彈性構(gòu)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(gòu)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(gòu)件8、阻尼構(gòu)件3及連接固定構(gòu)件8與阻尼構(gòu)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(jí)減振系統(tǒng)。該二級(jí)減振系統(tǒng)通過(guò)一端固定在固定構(gòu)件8上、另一端連接阻尼構(gòu)件3的豎向減振彈簧9增大阻尼構(gòu)件往上運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)到原位的回復(fù)力，通過(guò)斜置的橫向減振彈簧10的約束減弱水流對(duì)阻尼構(gòu)件的影響。所述固定構(gòu)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(zhì)量較大的石塊、混凝土塊或者用其他材料制作的重塊。權(quán)利要求1、一種大跨橋梁抗風(fēng)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(shè)置用吊索拉住并浸沒(méi)在水中的阻尼構(gòu)件，該阻尼構(gòu)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(guān)系A(chǔ)0≥3Ax。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述大跨橋梁抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)，其特征是，在所述阻尼構(gòu)件(3)下方設(shè)置位于水底的固定構(gòu)件(8)，該固定構(gòu)件(8)與所述阻尼構(gòu)件(3)之間用彈性構(gòu)件連接。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述大跨橋梁抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)，其特征是，所述彈性構(gòu)件為彈簧。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述大跨橋梁抗風(fēng)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(quán)利要求2所述大跨橋梁抗風(fēng)水下阻尼系統(tǒng)，其特征是，所述固定構(gòu)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(fēng)水下阻尼系統(tǒng)，屬于橋梁工程
技術(shù)領(lǐng)域：
；它的組成是，在大跨橋梁的加勁梁或主纜上設(shè)置用吊索拉住并浸沒(méi)在水中的阻尼構(gòu)件，且該阻尼構(gòu)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(jià)而又功能強(qiáng)大的的阻尼，通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)外部作用—阻尼構(gòu)件能在橋梁加勁梁發(fā)生豎向振動(dòng)時(shí)在水中發(fā)生相應(yīng)振動(dòng)，由此耗散巨大能量并產(chǎn)生巨大阻力來(lái)抑制加勁梁振動(dòng)，從而能較大程度提高橋梁在風(fēng)荷載作用下的顫振穩(wěn)定性，并且能有效地抑制渦激振動(dòng)。文檔編號(hào)E01D19/00GK101260646SQ20081003106公開(kāi)日2008年9月10日申請(qǐng)日期2008年4月14日優(yōu)先權(quán)日2008年4月14日發(fā)明者李有為申請(qǐng)人:李有為