一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置

1.本发明涉及一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，属于桥梁施工技术领域。


背景技术：

2.随着跨径的增加，现代桥梁变得愈加细长和轻柔，导致桥梁在建设和运营过程中风致振动成为影响稳定性的主要因素。为了应对大跨度桥梁的气动失稳问题，桥梁工作者创造性的采用分体箱梁作为大跨度桥梁的主梁。分体箱梁具有良好的颤振性能，在大跨度桥梁的主梁选型中极具竞争力，但是开槽带来的梁体之间的空隙给了漩涡的脱落和发展创造了额外的空间，导致分体箱梁在低风速下涡激振动问题较为突出。
3.所谓涡激振动是一种低风速下桥梁发生的规则的自限幅振动现象，具有锁定风速低、触发频率高等特征，桥梁涡振的危险性虽然不如颤振、驰振等发散性气动失稳现象，但是由其引起的振幅仍然足以影响桥上行车的舒适性和安全性，长期涡振还有可能导致桥梁发生疲劳破坏。
4.针对分体箱梁的涡激振动现象，目前采取的措施有气动措施和主动控制措施。
5.气动措施通过改善桥梁的气动外形以改变桥梁表面的绕流场，一般能达到降低桥梁风致振动响应的效果，具有成本低、易于实施等优点，通常作为桥梁涡振控制的首选方案，常用的气动措施主要包括风嘴、导流板、抑流板、中央稳定板、中央开槽等。然而作为一种被动控制措施，气动措施的控制效果往往只针对特定的风振现象，如某一阶涡振，在面对由风与桥梁构成的复杂流固耦合体系引发的多种桥梁风振复合响应时其控制效果将大打折扣。
6.主动控制措施提供了一个具有信息反馈特点的闭合系统，能够根据桥梁结构的风振响应实时采取相应的反馈措施提高控制效果，在桥梁结构风振控制中扮演着重要的角色。
7.如授权公告号是cn115748425a，专利申请名称为抑制分体式钢箱梁涡激振动的吹气稳态装置及使用方法，提供了一种包含扰流导流板和可转动导气管的涡激振动控制系统，通过预判漩涡可能脱落的位置，转动导气管向多方向射流以抑制桥梁的涡激振动。这类方法改变了初始的桥梁-流场耦合共振体系，控制思路更为积极主动，但需要额外配置储气和气体压缩动力设备，能量消耗不容小觑；外置的吹气装置会影响桥梁断面形式，改变桥梁的气动特性；内置的吹气装置需在钢箱梁上开孔，增大了钢箱梁内壁腐蚀的隐患，增加了桥梁运营养护的难度。增加了对动力设备与能源消耗的需求。
8.如授权公告号是cn115897369a，专利申请名称为一种分体式钢箱梁涡激振动扰流装置、系统及方法，提供了一种安装于分体箱梁开槽处的双转子电机扰流装置，通过电机驱动叶片转动对开槽处漩涡产生干扰以抑制桥梁涡振，但该方法涉及复杂的电气机械结构，增加了后期的养护难度。
9.因此，本发明提供一种结构简单易维护、低能耗、不影响桥梁耐久性、信息反馈迅速易操作的分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置。


技术实现要素：

10.本发明提供了一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，可以有效解决上述问题。
11.本发明是这样实现的：
12.一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，包括分体箱梁、扰流单元，所述分体箱梁的开槽处设有由若干扰流单元组成的阵列；
13.所述扰流单元包含框格、激振器和若干弹性件；相邻两个扰流单元通过框格配合组成阵列，所述激振器通过固定在激振器外表面上下左右四个位置的弹性件悬挂在所述框格正中间。
14.作为进一步改进的，所述激振器包含套筒、第一电磁机构、第二电磁机构、气囊；
15.所述套筒为水平两端端部封闭的空心圆柱体，所述气囊位于套筒正中间位置，所述第一电磁机构和第二电磁机构呈水平对称设置在气囊两侧。
16.作为进一步改进的，所述气囊包含囊体；嵌于囊体首尾两端的钢质端部；等距离固定在所述囊体表面的若干节圆骨架；开在囊体的气嘴正对着框格的敞口方向。
17.作为进一步改进的，第一电磁机构和第二电磁机构都包含电磁阀、驱动杆、外壳；所述外壳包裹所述电磁阀后安装在套筒内部端头，所述电磁阀和气囊的钢质端部之间固定有驱动杆。
18.作为进一步改进的，设置在所述套筒内部两端的限位挡板，使得限位挡板与套筒之间形成一个轴向的滑槽，电磁阀容置于这个滑槽中。
19.作为进一步改进的，第一电磁机构和第二电磁机构还包含在驱动杆外表面套有第二弹性件，所述第二弹性件一端固定在气囊的钢质端部，另一端固定在限位挡板上。
20.作为进一步改进的，所述套筒面对框格敞口处的弧形侧面上开有提升透空率的矩形孔。
21.作为进一步改进的，第一电磁机构和第二电磁机构还包括电源线，所述电源线一端连接电磁阀，另一端则从套筒的端部穿出后，沿着弹性件的中心走线，到达框格的内侧壁后向下穿出弹性件直至扰流单元阵列下边缘的线槽盒。
22.作为进一步改进的，还包括风速风向传感器、电磁阀控制单元、电缆，在所述分体箱梁一侧设置有用于测量流经分体箱梁风速的风速风向传感器，以及设置在岸上的电磁阀控制单元，通过电缆连接所述扰流单元的线槽盒、风速风向传感器与电磁阀控制单元。
23.作为进一步改进的，所述电磁阀控制单元包含主控芯片和控制电路的电磁阀控制器。
24.本发明的有益效果是：本发明扰流单元设置在分体箱梁的开槽处，破坏了分体箱梁开槽处旋涡的展向涡结构，能有效消除大跨度分体箱梁桥梁的涡振病害，且本发明不仅可以通过扰流单元中的弹性件在风流经分体箱梁时进行初步扰乱。
25.本发明还可以远程操控激振器，主动调整激振器喷发的气流，无需配备额外的气体压缩动力装置，避免了动力装置和吹吸气装置对桥梁气动特性的改变，降低了能量消耗，同时杜绝了箱梁开孔引起的耐久性问题。
26.本发明远程操控第一电磁机构、第二电磁机构，去压缩位于套筒中间的气囊，喷射的气体，可以扰乱流经分体箱梁的气流。
27.本发明电磁阀控制单元反应灵敏，具有多级调控的优点，可智能地调节电磁阀的启闭状态和脉冲宽度调制率，有针对性地调节驱动杆的伸缩状态和作动频率，改变柱式折叠气囊喷射和吸入气体的频率和体积，达到控制多阶涡振的目标。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
29.图1是本发明实施例提供一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置的扰流单元组成阵列后的示意图。
30.图2是本发明实施例提供一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置的结构简单示意图。
31.图3是本发明实施例提供一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置的扰流单元的立体结构示意图。
32.图4是本发明实施例提供一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置的激振器的结构爆炸图。
33.图5是本发明实施例提供一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置的气囊的半剖面立体结构示意图。
34.图6是本发明实施例提供一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置的框格外表面的结构示意图。
35.图7是本发明实施例提供一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置的激振器吹气状态结构示意图。
36.图8是本发明实施例提供一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置的激振器吸气状态结构示意图。
37.图中：分体箱梁10、扰流单元20、风速风向传感器30、电磁阀控制单元40、电缆50、框格201、激振器202、弹性件203、倒楔形截面导轨211、倒楔形块212、套筒221、第一电磁机构222、第二电磁机构223、气囊224、限位挡板225、滑槽226、囊体2241、钢质端部2242、节圆骨架2243、气嘴2244、电磁阀2221、驱动杆2222、第二弹性件2223、外壳2224、电源线2225。
具体实施方式
38.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗
示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
40.参照图1-图8所示，本发明提供一种具体实施方式关于一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，包括分体箱梁10、扰流单元20，所述分体箱梁10的开槽处设有由若干扰流单元20组成的阵列；
41.所述扰流单元20包含框格201、激振器202和若干弹性件203；相邻两个扰流单元20通过框格201配合组成阵列，所述激振器202通过固定在激振器202外表面上下左右四个位置的弹性件203悬挂在所述框格201正中间，参照图1至图3所示。
42.进一步，参照图6所示，在框格201非敞口的4个表面中，其中2个表面上设置u型连通的倒楔形截面导轨211，在另两个设置倒楔形块212，倒楔形块212与相邻吹扰流单元20的框格201非敞口表面的u型连通的倒楔形截面导轨211相互咬合锁定，从而组装成适合分体箱梁10开槽的阵列，便于模块化拼装和拆卸，方便在新建桥梁和已建成桥梁上安装，不影响分体箱梁和路面设施等，实现结构简单，易维护的效果。
43.在其中一个具体实施方式中，框格201尺寸为1.25mx1.25mx1.25m，方便组装、运输。
44.在其中一个具体实施方式中，框格201表面的倒楔形块26顶面尺寸为1150mmx1150mm，底部尺寸为1100mm x 1100mm；倒楔形导轨25的顶部宽度为75mm，底部宽度为50mm。
45.本发明扰流单元20设置在分体箱梁10的开槽处，破坏了分体箱梁10开槽处旋涡的展向涡结构，能有效消除大跨度分体箱梁桥梁的涡振病害，且本发明不仅可以通过扰流单元20中的弹性件203在风流经分体箱梁10时进行初步扰乱，还可以远程操控激振器202，主动调整激振器202喷发的气流，无需配备额外的气体压缩动力装置，避免了动力装置和吹吸气装置对桥梁气动特性的改变，降低了能量消耗，同时杜绝了箱梁开孔引起的耐久性问题。
46.具体地，所述激振器202包含套筒221、第一电磁机构222、第二电磁机构223、气囊224；所述套筒221为水平两端端部封闭的空心圆柱体，所述气囊224位于套筒221正中间位置，所述第一电磁机构222和第二电磁机构223呈水平对称设置在气囊224两侧。
47.本实施例远程操控第一电磁机构222、第二电磁机构223，去压缩位于套筒221中间的气囊224，喷射的气体，可以扰乱流经分体箱梁10的气流，具体操作:让第一电磁机构222、第二电磁机构223同时工作，也可以交替运作或者只运作第一电磁机构222或第二电磁机构223，更为详细的传动细节见下文，来有针对性地调整气囊224喷射和吸入气体的频率和体积，达到控制多阶涡振的目标。
48.并且，第一电磁机构222、第二电磁机构223、气囊224集成于圆柱形套筒内，减小了投影面积，将套筒221悬挂于上下表面敞口的钢框格中心，可以最大程度减小装置对分体箱梁10开槽透空率的影响，保障了箱梁的颤振性能。
49.其中，所述气囊224包含囊体2241；嵌于囊体2241首尾两端的钢质端部2242；等距离固定在所述囊体2241表面的若干节圆骨架2243；节圆骨架2243用来支撑囊体2241，防止其撕裂，也能在气囊224沿轴向压缩或者恢复的时候均匀活动，开在囊体2241的气嘴2244正对着框格201的敞口方向，可以正对着流经分体箱梁10而来的风流，扰流效果好，无偏差，参
照图5和图7所示。
50.在其中一个具体实施方式中，气囊224的最大节圆骨架24的直径为320mm，最小节圆骨架直径为240mm，气囊224折叠数为6折，吸气后达到最大长度为290mm，吹气后达到的最小长度为70mm。
51.在其中一个具体实施方式中，所述气嘴2244的数量为2组，每组俩个，两组分别设置在囊体2241正对着框格201的敞口方向的两个外表面中心，相较于只有一个气嘴2244，两个气嘴2244的出风量和吸气量更大，在囊体2241轴向压缩或者恢复的时候，花费时间更为短暂。
52.其中，第一电磁机构222和第二电磁机构223都包含电磁阀2221、驱动杆2222、外壳2224；所述外壳2224包裹所述电磁阀2221后安装在套筒221内部端头，所述电磁阀2221和气囊224的钢质端部2242之间固定有驱动杆2222。
53.这里所述的驱动杆2222是指电磁阀驱动杆，所述驱动杆采用消磁性能良好的硅钢制成，表面设有与所述电磁阀内环表面轴向转动限位块相同数量的矩形滑槽，电磁阀2221通电驱动驱动杆2222去挤压气囊224，使得气囊224喷射的气体，可以扰乱流经分体箱梁10的气流。
54.在其中一个具体实施方式中，连接于气囊224的驱动杆2222的总长度为150mm，直径为120mm，最大行程为110mm。
55.进一步，设置在所述套筒221内部两端的限位挡板225，使得限位挡板225与套筒221之间形成一个轴向的滑槽226，电磁阀2221容置于这个滑槽226中，
56.更进一步，所述限位挡板225正中间开有一个矩形滑槽，且外壳2224外表面设置有矩形块，外壳2224的矩形块与矩形滑槽啮合，限制电磁阀2221沿圆周向转动的方向。
57.进一步，第一电磁机构222和第二电磁机构223还包含在驱动杆2222外表面套有第二弹性件2223，所述第二弹性件2223一端固定在气囊224的钢质端部2242，另一端固定在限位挡板225上，在电磁阀2221断电时，第二弹性件2223本身的弹性会带动驱动杆2222回归原本的位置，实现复位，使气囊224内的气体逐渐充盈，参照图8所示。
58.在其中一个具体实施方式中，套在驱动杆上的伸缩弹性元件2223原长为40mm，当柱状式气囊224吹气达到极限状态时，伸缩弹性元件2223的拉伸长度为150mm。
59.其中，所述套筒221面对框格201敞口处的弧形侧面上开有提升透空率的矩形孔227。
60.在其中一个具体实施方式中，所述套筒10高为720mm，直径为360mm，钢套筒表面沿轴向开口高度为120mm，矩形孔227对应的圆心角为80
°
。
61.其中，第一电磁机构222和第二电磁机构223还包括电源线2225，所述电源线2225一端连接电磁阀2221，另一端则从套筒221的端部穿出，包裹绝缘套后沿着弹性件203的中心走线，到达框格201的内侧壁后向下穿出弹性件203直至扰流单元20阵列下边缘的线槽盒，经过多级汇总后穿入分体箱梁10内部直至与岸上的电磁阀控制单元40相连。
62.本发明还包括风速风向传感器30、电磁阀控制单元40、电缆50，在所述分体箱梁10一侧设置有用于测量流经分体箱梁10风速的风速风向传感器30，以及设置在岸上的电磁阀控制单元40，通过电缆50连接所述扰流单元20的线槽盒、风速风向传感器30与电磁阀控制单元40，参照图2所示。
63.进一步，所述电磁阀控制单元40包含主控芯片和控制电路的电磁阀控制器。
64.其中，主控芯片接收风速风向传感器30的输入信号，并且向控制电路输出多级电平信号；
65.其中，控制电路可根据桥梁多阶涡振锁定风速调制多级载波信号。
66.进一步，电磁阀控制单元40由电源供电，集中安装于岸上的控制柜内，其输出端连接电磁阀2221，并且按照所连电磁阀2221在分体箱梁10的开槽位置及扰流单元20的行列位置进行顺序编号。
67.本发明的工作原理：
68.根据风洞试验给出的桥梁不同阶涡振锁定风速设定电磁阀控制单元40的载波信号，风速风向传感器30的信号经由电缆50输入电磁阀控制单元40，当来流风速进入桥梁涡振锁定风速区间时主控芯片输出的电平信号值将大于控制电路中的载波信号，电磁阀开启，否则电磁阀关闭，设定电磁阀的脉冲宽度调制率，使电磁阀循环经历一个开启和关闭的周期与桥梁涡振的周期一致，实现电磁阀控制单元40反应灵敏，具有多级调控的优点，可智能地调节电磁阀的启闭状态和脉冲宽度调制率。
69.当风速风向传感器30监测到来流风速进入桥梁的涡振锁定区间时，根据风洞试验给出的桥梁不同阶涡振锁定风速与卓越频率的参考值，确定桥梁涡振卓越频率fi，电磁阀控制单元40调整电磁阀2221伸缩驱动杆2222的作动频率为fi，因此气囊224的吹吸气频率同样为fi。
70.这里所述的气囊224的吹吸气频率fi是指气囊224在1秒时间间隔内完成fi次吹气和吸气。
71.设定每个气囊224的充气量为l升，直径为d米，驱动杆2222平均伸缩速度的计算方法如下:
[0072][0073]
驱动杆2222的长度l的计算方法如下:
[0074][0075]
电磁阀控制单元40使根据桥梁涡振卓越频率fi和设定的充气量，调整流向的电磁阀2221的电流，通电后的电磁阀2221以一定的速度弹出驱动杆2222，带动气囊224向中心压缩，气囊224中的气体通过气嘴2244向上下方向喷射，破坏分体箱梁10开槽处的流场，伸缩第二弹性件2223因驱动杆2222的带动而被拉伸。
[0076]
完成吹气后，电磁阀控制单元40使电磁阀2221处于断开状态，作用于驱动杆2222上的电磁力消失，被拉伸的第二弹性件2223快速回缩至自然状态，带动驱动杆2222复位，气囊224在驱动杆2222的带动下而被扩张，由上游箱梁形成于开槽处的漩涡通过气嘴2244被吸入气囊224，进而破坏分体箱梁10开槽处的涡结构。
[0077]
扰流单元20布设于分体箱梁10的开槽处，上游箱体产生的漩涡进入开槽区域，使位于框格201中心的激振器202受到冲击而上下往复振荡，由振荡激励而起的气流扰乱了尾流中的漩涡结构，造成尾流漩涡结构紊乱并破碎化，进而降低尾流对箱梁表面的压力分布的影响，也就是初步扰乱。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，包括分体箱梁(10)、扰流单元(20)，所述分体箱梁(10)的开槽处设有由若干扰流单元(20)组成的阵列；所述扰流单元(20)包含框格(201)、激振器(202)和若干弹性件(203)；相邻两个扰流单元(20)通过框格(201)配合组成阵列，所述激振器(202)通过固定在激振器(202)外表面上下左右四个位置的弹性件(203)悬挂在所述框格(201)正中间。2.如权利要求1所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，所述激振器(202)包含套筒(221)、第一电磁机构(222)、第二电磁机构(223)、气囊(224)；所述套筒(221)为水平两端端部封闭的空心圆柱体，所述气囊(224)位于套筒(221)正中间位置，所述第一电磁机构(222)和第二电磁机构(223)呈水平对称设置在气囊(224)两侧。3.如权利要求2所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，所述气囊(224)包含囊体(2241)；嵌于囊体(2241)首尾两端的钢质端部(2242)；等距离固定在所述囊体(2241)表面的若干节圆骨架(2243)；开在囊体(2241)的气嘴(2244)正对着框格(201)的敞口方向。4.如权利要求3所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，第一电磁机构(222)和第二电磁机构(223)都包含电磁阀(2221)、驱动杆(2222)、外壳(2224)；所述外壳(2224)包裹所述电磁阀(2221)后安装在套筒(221)内部端头，所述电磁阀(2221)和气囊(224)的钢质端部(2242)之间固定有驱动杆(2222)。5.如权利要求4所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，设置在所述套筒(221)内部两端的限位挡板(225)，使得限位挡板(225)与套筒(221)之间形成一个轴向的滑槽(226)，电磁阀(2221)容置于这个滑槽(226)中。6.如权利要求5所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，第一电磁机构(222)和第二电磁机构(223)还包含在驱动杆(2222)外表面套有第二弹性件(2223)，所述第二弹性件(2223)一端固定在气囊(224)的钢质端部(2242)，另一端固定在限位挡板(225)上。7.如权利要求4所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，所述套筒(221)面对框格(201)敞口处的弧形侧面上开有提升透空率的矩形孔(227)。8.如权利要求6所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，第一电磁机构(222)和第二电磁机构(223)还包括电源线(2225)，所述电源线(2225)一端连接电磁阀(2221)，另一端则从套筒(221)的端部穿出后，沿着弹性件(203)的中心走线，到达框格(201)的内侧壁后向下穿出弹性件(203)直至扰流单元(20)阵列下边缘的线槽盒。9.如权利要求1所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，还包括风速风向传感器(30)、电磁阀控制单元(40)、电缆(50)，在所述分体箱梁(10)一侧设置有用于测量流经分体箱梁(10)风速的风速风向传感器(30)，以及设置在岸上的电磁阀控制单元(40)，通过电缆(50)连接所述扰流单元(20)的线槽盒、风速风向传感器(30)与电磁阀控制单元(40)。10.如权利要求9所述的一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，其特征在于，所述电磁阀控制单元(40)包含主控芯片和控制电路的电磁阀控制器。

技术总结
本发明提供了一种分体式箱梁桥梁涡激振动的扰流装置，包括分体箱梁、扰流单元，分体箱梁的开槽处设有由若干扰流单元组成的阵列；扰流单元包含框格、激振器和若干弹性件；相邻两个扰流单元通过框格配合组成阵列，本发明扰流单元设置在分体箱梁的开槽处，破坏了分体箱梁开槽处旋涡的展向涡结构，能有效消除大跨度分体箱梁桥梁的涡振病害，且本发明不仅可以通过扰流单元中的弹性件在风流经分体箱梁时进行初步扰乱，本发明还可以远程操控激振器，主动调整激振器喷发的气流，无需配备额外的气体压缩动力装置，避免了动力装置和吹吸气装置对桥梁气动特性的改变，降低了能量消耗，同时杜绝了箱梁开孔引起的耐久性问题。了箱梁开孔引起的耐久性问题。了箱梁开孔引起的耐久性问题。


技术研发人员：翁祥颖 周继忠 雷虎军 郑永乾 郑莲琼
受保护的技术使用者：福建理工大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/9/20