用于改善斜拉索性能的自适应表面凹槽系统、装置及桥梁

本技术属于斜拉桥抗风气动措施，尤其涉及一种用于改善斜拉索性能的自适应表面凹槽系统、装置及桥梁。

背景技术：

1、随着斜拉桥跨度的不断增加，斜拉索作为斜拉桥的重要承重构件，其长度也在不断增加，且其所承受的风荷载也越来越大。减小斜拉索上的风荷载，对于大跨度斜拉桥的安全性和经济性具有重要意义。

2、斜拉索具有质量小、柔度大、阻尼低等特点，所以容易发生各种风致振动，例如涡振。涡振是涡激振动的简称，涡激振动是斜拉索在低风速下容易出现的一种风致振动现象。涡振带有自激性质，但是振动的结构反过来会对涡脱形成某种反馈作用，使得涡振振幅受到限制，因此涡振是一种带有自激性质的风致限幅振动。涡振的产生不需要非常强烈的风，由于涡振是低风速下常容易发生的振动现象，且振动幅度之大会影响行车安全，因而在施工或者成桥阶段避免涡激共振或限制其振幅在可接受的范围之内具有十分重要的意义。

3、目前，为了控制斜拉索的风致振动，通常采取三种措施，分别是机械措施、结构措施和气动措施。机械措施主要是通过安装阻尼器等减振装置来抑制斜拉索的振动响应；结构措施包括通过增设辅助索、增加总体刚度、增大自振频率等方式来提高斜拉索的气动稳定性；而气动措施则是通过改变斜拉索的外形或者安装导流设施来改变作用在斜拉索上的气动力，从而达到减振的效果。其中，气动措施抑振效果较好，成本较低，后期养护方便，因此在实际工程中应用广泛。但是，当前斜拉索气动措施的抑振效果难以和减阻效果互相协调，例如有的气动措施在低风速下减阻效果好但抑制涡振效果有限，有的气动措施在低风速下抑制涡振效果好但高风速下减阻效果差。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本技术实施例提供了一种用于改善斜拉索性能的自适应表面凹槽系统、装置及桥梁，以使解决当前斜拉索气动措施的抑振效果难以和减阻效果互相协调的问题。

2、本技术是通过如下技术方案实现的：

3、第一方面，本技术实施例提供了一种用于改善斜拉索性能的自适应表面凹槽系统，包括可变形防护层、测量模块、控制模块和吹吸气装置；所述可变形防护层为管状，用于通长贴合设置在斜拉桥的斜拉索的外壁上；所述可变形防护层的管体包括多个沿其轴向通长的条形气囊，各个条形气囊包括充气状态和/或抽气状态，抽气状态的条形气囊在所述可变形防护层的表面形成凹槽，所述凹槽作为所述斜拉索的表面凹槽；所述测量模块，用于测量所述斜拉桥的桥塔顶端的风速，并传输至所述控制模块；所述控制模块，用于基于接收到的所述风速，确定所述斜拉索的表面凹槽的目标数量，并控制所述吹吸气装置对所述可变形防护层的条形气囊进行吹气或吸气，以使所述斜拉索的表面凹槽的数量为所述目标数量。

4、结合第一方面，在一些实施例中，所述控制模块具体用于：基于所述风速和预先获取的风洞试验数据，判断所述风速是否处于涡振风速区间，所述涡振风速区间为使斜拉索产生涡振的风速区间；若所述风速在所述涡振风速区间内，则确定所述斜拉索的表面凹槽的目标数量为第一预设值；所述斜拉索的所述第一预设值数量的表面凹槽用于减小所述斜拉索的涡振振幅；若所述风速在所述涡振风速区间外，则基于所述风速计算斜拉索的雷诺数（reynolds number， re），并根据所述雷诺数的大小，确定所述斜拉索的表面凹槽的目标数量为第二预设值；所述斜拉索表面的所述第二预设值数量的凹槽用于减小所述斜拉索的阻力系数。

5、结合第一方面，在一些实施例中，所述控制模块具体用于：

6、根据公式

7、

8、计算斜拉索的雷诺数；其中， u为所述风速， d为斜拉索的结构特征尺寸，为空气的运动学粘性系数。

9、结合第一方面，在一些实施例中，所述第一预设值为32，所述第二预设值为0或16；所述控制模块具体用于：若所述风速在所述涡振风速区间内，则确定所述斜拉索的表面凹槽的目标数量为32；若所述风速在所述涡振风速区间外，则基于所述风速计算斜拉索的雷诺数；若所述雷诺数小于预设阈值，则确定所述斜拉索的表面凹槽的目标数量为16，若所述雷诺数大于或等于所述预设阈值，则确定所述斜拉索的表面凹槽的目标数量为0。

10、结合第一方面，在一些实施例中，所述多个沿其轴向通长的条形气囊沿所述管体的环向依次排列，每个条形气囊均包括抽气状态和充气状态。

11、结合第一方面，在一些实施例中，条形气囊包括支撑气囊和可调气囊；所述可变形防护层的管体包括凸起层和形变层，所述凸起层为所述管体的内层，所述形变层为所述管体的外层；所述凸起层由多个沿环向连续排列的支撑气囊构成，所述形变层由多个沿环向连续排列的可调气囊构成；多个支撑气囊充气后，每相邻两个支撑气囊之间形成一个凹槽，每个可调气囊占据一个凹槽；抽气状态下的可调气囊在所述形变层的表面呈现凹槽形状，充气状态下的可调气囊使所述可变形防护层的表面呈现光滑状态。

12、结合第一方面，在一些实施例中，所述控制模块具体用于：控制所述吹吸气装置对第一数量的预设位置的可调气囊进行吹气或吸气，以使所述斜拉索的表面凹槽的数量为所述目标数量；其中，所述第一数量基于所述目标数量和当前处于抽气状态的可调气囊的数量确定，所述预设位置的可调气囊为两两之间间隔相同的可调气囊。

13、第二方面，本技术实施例提供了一种用于改善斜拉索性能的表面凹槽装置，包括可变形防护层和吹吸气装置；所述可变形防护层为管状，用于通长贴合设置在斜拉桥的斜拉索的外壁上；所述可变形防护层包括多个沿其管体轴向通长的条形气囊，各个条形气囊包括充气状态和/或抽气状态，抽气状态的条形气囊用于形成所述斜拉索的表面凹槽；所述吹吸气装置，用于根据预设指令对不同数量的条形气囊进行吹气或吸气，以改变所述斜拉索的表面凹槽的数量。

14、结合第二方面，在一些实施例中，所述可变形防护层的条形气囊沿所述管体的环向依次排列，每个条形气囊均包括抽气状态和充气状态；或者，在另一些实施例中，条形气囊包括支撑气囊和可调气囊；所述可变形防护层的管体包括凸起层和形变层，所述凸起层为所述管体的内层，所述形变层为所述管体的外层；所述凸起层由多个沿环向连续排列的支撑气囊构成，所述形变层由多个沿环向连续排列的可调气囊构成；多个支撑气囊充气后，每相邻两个支撑气囊之间形成一个凹槽，每个可调气囊占据一个凹槽；抽气状态下的可调气囊在所述形变层的表面呈现凹槽形状，充气状态下的可调气囊使所述形变层的表面呈现光滑平面。

15、第三方面，本技术实施例提供了一种桥梁，包括斜拉索，且所述桥梁配置有如上述第一方面任一项所述的用于改善斜拉索性能的自适应表面凹槽系统。

16、本技术实施例与相关技术相比存在的有益效果是：

17、本技术实施例提供一种用于改善斜拉索性能的自适应表面凹槽系统，该系统包括可变形防护层、测量模块、控制模块和吹吸气装置；可变形防护层为管状，可以通长贴合设置在斜拉桥的斜拉索的外壁上；可变形防护层的管体包括多个沿其轴向通长的条形气囊，各个条形气囊包括充气状态和/或抽气状态，抽气状态的条形气囊在可变形防护层的表面形成凹槽，即形成斜拉索的表面凹槽；测量模块，用于测量斜拉桥的桥塔顶端的风速，并传输至控制模块；控制模块，用于基于接收到的风速，确定斜拉索的表面凹槽的目标数量，并控制吹吸气装置对可变形防护层的条形气囊进行吹气或吸气，以使斜拉索的表面凹槽的数量为目标数量。本技术通过可变形防护层中抽气状态的条形气囊在斜拉索的外形上形成凹槽，且条形气囊的充气状态和吹气状态可以通过吹吸气模块来改变，因而斜拉索的表面凹槽的数量是可以调节的；通过控制模块，根据监测到的风速来确定斜拉索应设的表面凹槽的目标数量，并根据该目标数量来设置斜拉索的表面凹槽，从而使斜拉索的气动外形在不同风速下都具有较好的减阻抑振效果。

18、可以理解的是，上述第二方面至第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

19、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。