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您当前的位置： 一种拉索高阶涡振的气动控制装置的制作方法
2021-01-18 16:01:30|
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本实用新型涉及大跨度桥梁工程拉索振动控制技术领域，更具体地说，它涉及一种拉索高阶涡振的气动控制装置。
背景技术：
随着我国交通基础设施建设的推进，跨越山区峡谷和海湾通道工程是当前和今后若干时期交通基础设施建设的重点。大跨度斜拉桥是交通基础设施建设中常用的桥型之一，国家交通基础设施建设规划中的重要通道工程对主跨1200-1500m的斜拉桥具有重大工程需求。随着斜拉桥跨度的进一步增加，最长拉索长度将由目前的580m左右增加到750-800m左右，拉索长径比(l/d，l为拉索长度，d为拉索外径)将达到l/d＝3000-4000左右。超长拉索具有质量轻、刚度低、阻尼比小等特点，在风作用下容易发生风致振动现象，易引起行车者视觉恐慌、拉索阻尼器破坏和拉索锚固区疲劳等问题，严重时可能导致拉索断裂，对桥梁结构安全造成隐患。
目前，国内外部分斜拉桥在运营期发生了较为明显的高阶振动现象。(1)lankin等实测到美国阿拉巴马州的cochranebridge拉索发生了明显的涡激振动现象，振幅远小于拉索风雨振振幅，且振动卓越模态为第8、9阶。(2)lynch,main等观测到美国休斯顿的fredhartmanbridge发生了多次较为明显的振动，在中等风速且无雨条件下发生了高频、低幅振动，加速度达到2.0g，振动卓越模态为第6、7阶，部分拉索护套被破坏(lynch,1999；mainandjones,2000；zuod.,etal.,2008,2010)。(3)日本多多罗大桥拉索风致振动现场实测结果表明，当拉索索端不设阻尼器时，拉索涡激振动会频繁发生，且起振风速较低，当风速为5.0m/s左右时拉索振幅最大，幅值约为2.5cm左右；在拉索锚固区内填充弹性材料或高阻尼橡胶后，拉索振幅降低到原来的1/3左右。(4)梁柱等对深圳湾大桥在台风作用下的风致振动响应进行了实测，结果表明：台风期边跨短索(设置了控制拉索风雨振的小直径螺旋线，而未安装外置阻尼器)发生了明显的风致振动现象，最大加速度响应幅值达12.5m/s2，对应的振动频率为13.0hz；主跨最长拉索(设置了控制风雨振的螺旋线、安装了外置阻尼器)也发生了相对较大的风致振动现象，最大振幅值达0.75m/s2，对应的卓越振动频率为10-12.5hz，为多模态振动现象(梁柱等，2009)。(5)储彤以金塘大桥为背景进行了斜拉索风致振动响应实测研究。结果表明：该桥cac20号拉索加速度最大值达到6.5m/s2，且该索发生了多阶振动，不同时段拉索振动频率不同，主要为5-15hz(储彤，2013)。(6)argentinit.等对荷兰埃因霍芬一座环形桥梁拉索风致振动响应进行了现场实测研究，该桥共有20根拉索，拉索长度均为l＝53m，直径为d＝50mm。实测表明当风速为v＝3.0m/s、垂直于风向的拉索会发生明显涡激振动，对应拉索振动频率为10.94hz，位移为1.60mm(argentinit.,etal.,2013)。(7)
综上所述，部分斜拉桥由于阻尼器性能退化或其他原因而发生了较为明显的高阶振动现象。已有的控制拉索风雨振的小直径螺旋线(d＝2-4mm)不能有效控制拉索高阶振动响应；而阻尼器控制措施尽管可以控制拉索高阶振动现象，但拉索高阶振动会在常遇风速下发生，容易导致拉索阻尼器产生疲劳。因此进行高阶振动气动控制措施研究具有十分重要的意义和工程应用价值。目前尚未发现斜拉索高阶振动气动控制措施研究成果相关报道。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种拉索高阶涡振的气动控制装置，通过斜拉索表面缠绕肋体直径较粗的螺旋肋，可有效控制拉索尾流区涡激力的相关性，从而有效控制拉索高阶涡振。
本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种拉索高阶涡振的气动控制装置，包括拉索主体，所述拉索主体表面螺旋缠绕有两个或三个螺旋肋；所述螺旋肋的肋体直径为10-15mm；所述螺旋肋的螺距为拉索主体直径的8-12倍。
优选的，多个所述螺旋肋的螺旋缠绕方向相同。
优选的，两个所述螺旋肋呈180°交错设置；三个所述螺旋肋中的相邻螺旋肋之间呈120°交错设置。
优选的，所述拉索主体表面螺旋缠绕有两个螺旋肋；所述螺旋肋的肋体直径为10mm；所述螺旋肋的螺距为拉索主体直径的12倍。
优选的，所述拉索主体表面螺旋缠绕有三个螺旋肋；所述螺旋肋的肋体直径为15mm；所述螺旋肋的螺距为拉索主体直径的8倍。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：(1)采用了肋体直径d为10-15mm、螺距p为8-12d(d为拉索主体的直径)的螺旋肋，对拉索主体表面边界层内的流动进行了扰动，减弱了拉索尾流区旋涡脱落的强度与展向相关性，从而成功地控制了拉索的高阶振动响应，解决了采用小直径螺旋线无法控制拉索高阶振动的技术难题；
(2)与传统的拉索阻尼器减振措施相比，本实用新型采用空气动力学原理进行拉索高阶振动响应的控制，不存在疲劳的问题；
(3)与传统辅助索控制拉索振动措施相比，本实用新型施以较小的风荷载为代价，可有效控制拉索的高阶振动，不影响桥梁的整体美观效果。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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。
图1是本实用新型实施例1中的结构示意图；
图2是本实用新型实施例2中的结构示意图；
图3是本实用新型肋体直径为10mm的螺旋肋对拉索涡振控制效果图；
图4(a)是倾斜拉索气动控制措施拉索面内振动响应曲线图，图4(b)是倾斜拉索设置双螺旋肋气动控制措施拉索面内振动响应曲线图；
图5是本实用新型肋体直径为15mm的螺旋肋对拉索涡振控制效果图。
图中：1、拉索主体；2、螺旋肋。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
实施例1：一种拉索高阶涡振的气动控制装置，如图1所示，包括拉索主体1，拉索主体1表面螺旋缠绕有两个螺旋肋2。螺旋肋2的肋体直径为10mm。螺旋肋2的螺距为拉索主体1直径的12倍。
作为优选的实施方式，两个螺旋肋2的螺旋缠绕方向相同。
作为优选的实施方式，两个螺旋肋2呈180°交错设置。
其安装方法为：将肋体沿拉索主体1布设方向螺旋缠绕形成螺旋肋2，并对螺旋肋2两端进行拉紧固定，螺旋肋2内侧面与拉索主体1的外表面贴合。
实施例2：一种拉索高阶涡振的气动控制装置，如图2所示，包括拉索主体1，拉索主体1表面螺旋缠绕有三个螺旋肋2。螺旋肋2的肋体直径为15mm。螺旋肋2的螺距为拉索主体1直径的8倍。
作为优选的实施方式，三个螺旋肋2的螺旋缠绕方向均相同。
作为优选的实施方式，三个螺旋肋2中的相邻螺旋肋2之间呈120°交错设置。
其安装方法为：将肋体沿拉索主体1布设方向螺旋缠绕形成螺旋肋2，并对螺旋肋2两端进行拉紧固定，螺旋肋2内侧面与拉索主体1的外表面贴合。
实验验证与分析：
(1)进行拉索结构动力特性分析：以某大桥超长拉索为例，分别采用理论分析方法和有限元方法进行拉索结构动力特性分析，得到拉索的不同阶次固有频率。
(2)对拉索高阶振动响应现场实测数据进行分析，得到拉索高阶振动响应幅值与振动频率卓越频率。
(3)进行水平拉索节段模型风洞试验(风垂直于拉索)，在风洞中再现原拉索高阶振动现象；在此基础上进行不同螺旋线参数(螺旋线直径、螺旋线数目、螺距)等共22个工况的试验研究，获得对拉索高阶振动控制效果最佳的螺旋线参数。
①如图3所示，在阻尼比为0.09％时，分别采用直径d＝10mm、螺距为p＝12d(d为拉索直径)的单、双、三螺旋肋2进行实验得到无量纲振幅随折算风速的变化曲线，d＝0.071d。
②如图4所示，考虑拉索倾角、风偏角等影响，研制可以改变拉索倾角、风偏角的拉索节段模型试验装置，在倾角为25°和40°，在风偏角分别为±60°、±45°、±30°、±15°及0°的条件下，分别进行了原拉索和采用最优螺旋线参数的拉索节段模型风洞试验，进一步检验了该气动控制措施的有效性。
③如图5所示，在阻尼比为0.09％时，直径为d＝15mm、螺距为p＝8d的控制工况仅进行了水平拉索涡振控制效果风洞试验研究，未进行倾斜拉索涡振响应控制风洞试验研究。根据直径为10mm、螺距为p＝12d的倾斜拉索涡振控制试验结果，可以推测直径为d＝15mm、螺距为p＝8d对倾斜拉索的控制效果，特此说明。d＝0.107d。
综上，采用本实用新型提出的双或三直径螺旋肋2、肋体直径为10-15mm、螺距为8-12d(d为拉索直径)可有效控制拉索高阶振动响应。
本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。
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