專利名稱：一種用于拱橋的拱橋渦振控制建筑膜結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及橋梁工程和防災工程領域，具體地說是一種安裝在下承式或中承式拱橋上的拱橋渦振控制建筑膜結構。
背景技術：
目前，國內外大跨度下承式或中承式拱橋大多采用透風率較高的桁架拱肋，而實體式拱肋具有施工方便、結構可靠、耐久性強等優點。但是實體式拱肋一般都存在渦激振動問題，必須采取一定的措施來控制拱肋渦振，而現有技術無法進行有效的渦振控制。
發明內容
本發明的目的在于提供一種改進的用于拱橋的拱橋渦振控制建筑膜結構，它可克服現有技術中無法有效地控制下承式或中承式拱橋的實體式拱肋渦激共振的一些不足。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是一種用于拱橋的拱橋渦振控制建筑膜結構，它主要包括拱肋和設在拱肋之間的橫撐，其特征在于拱肋的截面頂部設有建筑膜結構，建筑膜結構由膜支撐架和設在膜支撐架上的膜體系構成。
使用時本發明在拱肋截面頂部設置建筑膜結構，該膜結構由膜支撐架和膜體系組成，能夠有效控制拱肋渦振。采用流體動力學數值模擬分析結果表明，可以減小渦振振幅61％，其渦振控制機理在于迎風側拱肋頂面和底面的兩個大渦被中間隔板隔離，使得上下兩個渦產生的渦激力因相反的旋轉方向和不同的相位差而有所相互抵消，可以有效地控制下承式或中承式拱橋的實體式拱肋渦激共振。
圖1為現有技術的拱肋斷面示意2為現有技術的拱肋斷面控制措施示意3為中間2米高的板的拱肋斷面控制措施示意4為底部2米高的板的拱肋斷面控制措施示意5為底部2米高的板的拱肋斷面控制措施示意6為底部4米高的穩定板的拱肋斷面控制措施示意7為底部4米高的穩定板的拱肋斷面控制措施示意8為整體鋪板的拱肋斷面控制措施示意9為現有技術拱肋斷面流態顯示10為本發明拱肋斷面流態顯示11為本發明使用狀態參考12為圖11中的A部建筑膜結構的放大示意13為圖12中的B部膜支撐架的放大示意14為膜支撐架的又一結構示意圖表1斯特羅哈數和渦振振幅的數值模擬結果表2渦振振幅和相應風速的風洞試驗結果以下給出表1、表2的具體測試結果表1斯特羅哈數和渦振振幅的數值模擬結果
表2渦振振幅和相應風速的風洞試驗結果
拱橋渦振控制建筑膜結構是采用計算流體動力學數值模擬方法，從七種渦振控制措施中比選獲得的。原拱肋截面和七種渦振控制措施的數值模擬主要結果——斯特羅哈數St＝fH/U(f表示頻率，H表示拱肋高度，U表示風速)和相對渦振振幅A＝zm/H(zm表示最大渦振振幅)列于表1中，不難發現，七種控制措施中，只有圖3、圖7、圖8和圖9四種方法能夠或多或少地減小渦振振幅，而最有效的方法是圖9，其振幅減小了61％。
為了進一步揭示產生渦激振動的機理和渦振控制的機理，采用計算流體動力學數值模擬流態顯示方法，對原拱肋斷面(圖2)和最有效控制措施(圖9)進行了流態對比分析。對于原拱肋斷面，迎風側拱肋頂面和底面處形成兩個大尺度的渦旋，并逐漸合并成一個尺度更大、能量更高的渦，正是由于該渦的存在才導致了渦激共振。。采用控制措施后，雖然迎風側拱肋頂面和底面處仍會有渦產生，但是這兩個大渦被中間隔板分隔，使得上下兩個渦產生的渦激力因相反的旋轉方向和不同的相位差而相互抵消，如圖11所示。從這兩張流態顯示圖上可以更深入地理解渦激振動和渦振控制的機理。
為了驗證拱橋渦振控制建筑膜結構的上述數值模擬結果，以上海盧浦大橋為例，采用1∶100的幾何縮尺比進行了全橋氣彈模型風洞試驗，并分別模擬了拱肋最大懸臂、拱肋合攏狀態和全橋成橋狀態等三種結構形式。該風洞試驗包括三種結構形式、均勻流和紊流兩種流場、有無控制措施兩種狀態等多種工況，表2列出了拱肋跨中(L/2)和四分點(L/4)處豎彎和側彎最大渦振位移試驗結果，不難發現，采取渦振控制措施后的全橋成橋狀態的渦振振幅減小了57％。
為了將上述通過數值模擬和風洞試驗確定的最有效渦振控制措施——圖9付諸工程應用，設計了拱橋渦振控制建筑膜結構，該結構分割成多塊，每一塊布置在兩片拱肋和兩道風撐所形成的矩形或梯形曲面上，每個矩形或梯形曲面的膜結構由膜支撐架和膜體系組成。
膜支撐架由3根交匯鋼構件組成如圖13所示，每根構件的軸線均為對稱弧線，跨中最大高度(矢高f)按跨徑l的1/6至1/8取值，即f＝l/6～l/8，最大跨徑不宜超過40m，膜支撐架的設計荷載可按膜面設計風壓豎直向上ps＝0.8kPa和豎直向下px＝0.8kPa取值，根據設計荷載和跨徑大小可以設計膜支撐架的鋼構件尺寸以及交匯點和兩端的連接方式。
膜體系為復雜空間曲面，中間支撐在膜支撐架上，四邊與拱肋和風撐硬邊連接，形成單拱雙曲組合形。單拱雙曲組合形的單拱拱高與膜支撐架的矢高一致，雙曲組合圖形形式可以根據建筑要求選定，最大膜面設計風壓可按p＝±0.4kPa取值。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
本發明主要包括拱肋1和設在拱肋之間的橫撐2，其與現有技術的區別在于肋拱的截面頂部設有建筑膜結構，建筑膜結構由膜支撐架3和設在膜支撐架上的膜體系構成，能夠有效控制拱肋渦振。采用流體動力學數值模擬分析結果表明，可以減小渦振振幅61％，其渦振控制機理在于迎風側拱肋頂面和底面的兩個大渦被中間隔板隔離，使得上下兩個渦產生的渦激力因相反的旋轉方向和不同的相位差而有所相互抵消。以上海盧浦大橋為例的全橋氣彈模型風洞試驗結果表明，全橋成橋狀態的渦振振幅可以減小57％(如表2所示)。建筑膜結構設置在兩片拱肋和兩道橫撐所構成的矩形或梯形曲面上，梯形兩條平行邊的最大邊長小于等于40m，梯形兩條相等的腰長小于等于40m。膜支撐架由3根交匯的鋼構件4組成，鋼構件的兩端分別與兩片拱肋相連，每根鋼構件均為弧形，鋼構件的跨中高度為跨徑的1/6～1/8，跨徑小于等于40m，膜支撐架的設計荷載可按整個膜面上所受的風壓來計算，其中最大豎直向上風壓ps＝0.8kPa、最大豎直向下風壓px＝0.8kPa取值，根據設計荷載和跨徑大小可以設計膜支撐架的鋼構件尺寸以及交匯點和兩端的連接方式，并將膜支撐架首先固定在拱肋和風撐上。膜體系的中間支撐在膜支撐架上，膜體系的四邊與拱肋和橫撐相連接，形成單拱雙曲組合形，其中單拱拱高與膜支撐架的矢高一致，最大膜面設計風壓可按p＝±0.4kPa取值。單拱中心高度為鋼構件跨徑的1/6～1/8，膜體系的展開面積小于等于1600m2。其中膜材應選擇輕質高強的高分子復合材料，并具有良好的自潔性和防火性能。
權利要求
1.一種用于拱橋的拱橋渦振控制建筑膜結構，它主要包括拱肋和設在拱肋之間的橫撐，其特征在于拱肋的截面頂部設有建筑膜結構，建筑膜結構由膜支撐架和設在膜支撐架上的膜體系構成。
2.根據權利要求1所述的一種用于拱橋的拱橋渦振控制建筑膜結構，其特征在于建筑膜結構設置在兩片肋拱和兩道橫撐所構成的矩形或梯形曲面上，梯形兩條平行邊的最大邊長小于等于40m，梯形兩條相等的腰長小于等于40m。
3.根據權利要求1所述的一種用于拱橋的拱橋渦振控制建筑膜結構，其特征在于膜支撐架由3根交匯的鋼構件組成，鋼構件的兩端分別與兩片拱肋相連，每根鋼構件均為弧形，鋼構件的跨中高度為跨徑的1/6～1/8，跨徑小于等于40m。
4.根據權利要求1所述的一種用于拱橋的拱橋渦振控制建筑膜結構，其特征在于膜體系的中間支撐在膜支撐架上，膜體系的四邊與拱肋和橫撐相連接，形成單拱雙曲組合形，單拱中心高度為鋼構件跨徑的1/6～1/8，膜體系的展開面積小于等于1600m2。
全文摘要
本發明涉及一種用于拱橋的拱橋渦振控制建筑膜結構，其特征在于拱肋的截面頂部設有建筑膜結構，建筑膜結構由膜支撐架和設在膜支撐架上的膜體系構成。使用時本發明在拱肋截面頂部設置建筑膜結構，該膜結構由膜支撐架和膜體系組成，能夠有效控制拱肋渦振。采用流體動力學數值模擬分析結果表明，可以減小渦振振幅61％，其渦振控制機理在于迎風側拱肋頂面和底面的兩個大渦被中間隔板隔離，使得上下兩個渦產生的渦激力因相反的旋轉方向和不同的相位差而有所相互抵消，可以有效地控制下承式或中承式拱橋的實體式拱肋渦激共振。
文檔編號E01D6/00GK101050623SQ20061002542
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月3日 優先權日2006年4月3日
發明者葛耀君, 曹豐產, 周志勇, 項海帆, 葛世漢 申請人:同濟大學