一种用于斜拉索减振控制的永磁式质量调谐阻尼装置

摘要

本发明是一种用于斜拉索减振控制的永磁式质量调谐阻尼装置，用高弹橡胶将瓦形永磁铁包裹，构成“弹性永磁体”，将12个“弹性永磁体”以N、S极首尾相接的形式绕成一个环，将表面涂有凡士林的铜片插入“弹性永磁体”之间的空隙中，构成该阻尼装置的核心环；将核心环装入套筒，并用端盖板封上。当斜拉索振动时，利用高弹橡胶与铜片之间的刚度差异，使铜片在永磁体产生的磁场中切割磁感线，斜拉索振动能量通过铜片的电阻热效应被消耗掉，从而形成永磁阻尼。同时，永磁体与高弹橡胶构成了TMD系统，进一步增强了装置的减振效果。本装置安装在斜拉索的振幅最大处，可达到较强的减振效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于斜拉桥斜拉索减振控制的永磁式质量调谐阻尼装置，其 特点在于内部铜片在永磁体产生的磁场中做切割磁感应线运动，通过铜片的电阻 热效应耗散拉索的振动能量，同时永磁体与高弹橡胶构成TMD系统，进一步抑 制斜拉索的振动。

背景技术

风灾给人类造成了巨大损失，是人类社会面临的几种主要的自然灾害之一。 全球每年由于风灾造成的直接经济损失可达数百亿美元，其中以中国为例就达到 246亿美元，并且有逐年增加的趋势，给人民生命财产带来重大的损失，大大超 过了地震造成的生命和财产损失。其中，土木工程结构在强风作用下的破坏和损 害是整个风灾损失的重要组成部份，尤其大跨度柔性桥梁是典型的风敏感结构。

斜拉桥作为超大跨径柔性桥梁的一种主要结构形式，其抗风性能尤其受到国 内外专业人士关注。随着材料和设计施工技术的进步，斜拉桥的跨径在不断增加。 与此同时，斜拉索具有自重大、柔度大、阻尼小的特点，在风荷载和塔梁两端运 动的激励下极易发生较大的振动，拉索的振动会导致拉索使用寿命缩短，拉索与 主梁、主塔连接部位的破坏，从而影响结构的正常使用，其中拉索的风雨振是拉 索振动中最为严重的一种，拉索的振动控制也已经成为斜拉桥建造中需要解决的 关键技术问题之一，受到桥梁风工程界的广泛关注。

在拉索表面压制凹坑以及缠绕钢丝等可以改变斜拉索结构的气动性能，是控 制大跨度斜拉桥拉索振动特别是风雨振的有效方法。然而有时所起到的抑制效果 不是很明显，尤其是超长拉索效果更差，因此目前前者只作为辅助手段来抑制斜 拉索的振动。

在斜拉索近桥面处端部加设阻尼器是国内外广泛应用的拉索振动抑制方法。 目前常用的阻尼器主要有粘滞流体阻尼器、磁流变阻尼器和永磁阻尼器等。其中 粘滞流体阻尼器：根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的 原理而制成的，是一种与刚度、速度相关型阻尼器，南京长江二桥的拉索用的就 是粘滞阻尼器。粘滞流体阻尼器的缺点是难以维护管理，时间长了容易出现漏油 等问题。磁流变阻尼器（MR阻尼器）是近十几年出现的一种新型的结构半主动 控制装置，具有阻尼力大小可控、体积小、响应快等优点，展现出了良好的应用 前景，例如苏通大桥上的部分长拉索就采用了MR阻尼器。MR阻尼器的缺点是 原理相对复杂、价格相对较高。

当非磁性导体在永磁体产生的磁场中作切割磁力线运动时，导体内就会产生 相应的感生或感应电动势，从而形成类似漩涡的电流，即电涡流。根据楞次定律 （感应电流的效果总是反抗引起它的原因），对于导体在磁场中切割磁力线运动 的情况，还会形成阻碍二者相对运动的阻尼力，因而导致振动能量通过导体的电 阻热效应被消耗掉，从而形成永磁阻尼。永磁阻尼是一种极有前途的阻尼形式， 由此而制成的永磁阻尼器目前已用于航天结构振动控制、汽车刹车与高速列车制 动等，研究成果也比较丰富，但其在土木工程应用中的研究与应用还比较少。

调谐质量阻尼器（TMD）也是土木工程上常用的振动控制装置。它由质量 块、弹性元件（用来调谐频率）与阻尼元件（耗散结构振动能量）组成，将其振 动频率调整至被控主结构的振动频率附近，据此来改变结构振动特性，以达到减 振作用。对于设定的质量比（TMD子结构的质量主结构的质量的比值），基于定 义的优化准则，TMD通常存在一个最优频率比和最优阻尼比。频率较易调整， 主要通过调整弹性元件如弹簧的刚度等实现。阻尼的设置和调整则相对较难，尤 其是在TMD加工好后。目前小型TMD的阻尼元件一般采用橡胶，大型TMD 则采用油阻尼器等。

由于阻尼器通常安装在拉索端部，实践证明，拉索在该处振动位移很小，吸 收振动能量有限，难以对风雨振等大幅强烈振动产主有效的控制。因此，想要较 好地抑制斜拉索的风致振动，必须在其振幅最大处增设阻尼器。然而，由于斜拉 索结构的特殊性以及现行技术水平的限制，传统的阻尼器无法离桥面过高，使得 其减振效果受到极大限制。若能够将永磁阻尼与TMD减振装置进行联合设计研 发，并将其应用于拉索的减振控制中，则有望取得较为显著的控制效果。这种设 计直接利用结构自身振动产生的能量对结构振动进行控制，变废为宝、且无需外 界供能，显然更加节能环保。与拉索减振常用的粘滞流体阻尼器、磁流变阻尼器 等相比，它既克服了粘滞流体阻尼器漏油和不易养护的问题，又实现了刚度与阻 尼的分离，相对于MR阻尼器又有价格和节能优势。因此，永磁阻尼器在斜拉索 减振领域具有非常广阔的应用前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于斜拉索减振控制的永磁式质量调 谐阻尼装置，该装置突破了传统粘滞流体阻尼器或者磁流变阻尼器安装在近桥面 处的限制，可安装在斜拉索振幅最大的拉索中端，以最大程度的切割磁力线产生 感应电流。本专利直接利用拉索自身振动产生的能量对拉索振动进行控制，且减 振效果较传统阻尼器有较大提升。

技术方案：本发明的一种用于斜拉索减振控制的永磁式质量调谐阻尼装置包 括瓦形永磁条、高弹橡胶、铜片、套筒、端盖板、斜拉索以及高强度环氧树脂粘 结剂；其中用高弹橡胶将瓦形永磁铁包裹，构成“弹性永磁体”，共计12个；将 12个“弹性永磁体”以N、S极首尾相接的形式绕成一个环，“弹性永磁体”之间留 有空隙，然后插入表面涂有凡士林的铜片，构成该阻尼装置的核心环；将核心环 装入套筒，并用端盖板封上。

瓦形永磁条采用钕铁硼强磁铁；套筒和端盖板均采用碳纤维材料制成，且套 筒和端盖板内壁涂有高强度环氧树脂粘结剂，以保证该阻尼装置各部件的连接强 度。

“弹性永磁体”是外围裹有高弹橡胶的条状永磁体，“弹性永磁体”与铜片进行 间隔布置。当斜拉索在风、车辆等外部动荷载作用下产生振动时，因永磁体与铜 片间有相对位移，永磁体将带动高弹橡胶压缩，产生的摩擦会加快橡胶损耗，并 致使阻尼器构件间的松动。因此在各铜片表面涂上凡士林，以减小永磁体与铜片 间的滑动摩擦，减弱由此带来的减振装置整体的寿命损耗。

在架设斜拉索之前将该阻尼装置安装并固定在斜拉索中部，由于拉索振动所 带来的阻尼器的惯性力将很大，安装在拉索中部振幅最大处的阻尼器易发生损坏 现象，尤其是当阻尼器的质量和体积较大的时候。因此本阻尼装置采用轻质、高 强的碳纤维外壳以减小其质量，同时将该阻尼装置沿拉索方向长度设定为斜拉索 直径的2倍以内，以免拉索垂度过大。

在具体工程应用时，利用具有高强粘结力的高强度环氧树脂粘结剂将内核心 环、套筒和端盖板进行组装，并将该阻尼装置固定在斜拉索上。以保证减振装置 的安全、有效、稳定以及耐久性为目标，即可在拉索中部安装单个阻尼器装置， 也可视拉索长度和实际需要按一定间距进行布置，安装多个阻尼器装置。

有益效果：永磁体和高弹橡胶构成一个小型TMD阻尼系统，可吸收部分拉 索的振动能量。与此同时，铜片在永磁体产生的磁场中反复切割磁感线，使得铜 片与永磁体形成了永磁阻尼系统，从而将拉索的振动能量转换为铜片内的电阻热 效应消耗掉。其中，N、S相距较短，以形成较短的磁回路，减少磁势损耗，增 强了该永磁阻尼系统的耗能能力。上述的TMD系统和永磁阻尼系统共同发挥作 用，保证了该减振装置的使用效果。此外，本专利直接利用拉索自身振动产生的 能量对拉索振动进行控制，无需外界供能，相比现有拉索减振阻尼器更加节能环 保。可以预知，随着台风的愈演愈烈、大跨度斜拉桥的不断兴建以及全世界对节 能环保的日益关注，该新型拉索减振装置必将得到广泛应用，产生显著的经济社 会效益。

附图说明

图1是本发明的横截面构造示意图；

图2是图1中沿Ⅰ-Ⅰ方向的纵剖面构造图；

图3是图1中沿Ⅱ-Ⅱ方向的纵剖面构造图；

图4是瓦形永磁体的外形轮廓图；

图5是高弹橡胶的外形轮廓图；

图6是端盖板的平面示意图；

图中有：瓦形永磁条1、高弹橡胶2、铜片3、套筒4、端盖板5、斜拉索6、 高强度环氧树脂粘结剂7、凡士林8。

具体实施方式

本发明的用于斜拉索减振的永磁式质量调谐阻尼装置包括瓦形永磁条1、高 弹橡胶2、铜片3、套筒4、端盖板5、斜拉索6、高强度环氧树脂粘结剂7以及 凡士林8。其中用高弹橡胶2将瓦形永磁铁1包裹，形成上述“弹性永磁体”，共 计12个。将12个“弹性永磁体”以N、S极首尾相接的形式绕成一个环，“弹性永 磁体”之间留有适当空隙，然后插入表面涂有凡士林8的铜片3，构成该阻尼装 置的核心环。将核心环装入套筒4，并用端盖板5封上。

瓦形永磁铁1采用目前较为主流的合金永磁材料做成的钕铁硼强磁铁。图4 显示的即为瓦形永磁铁1的外形轮廓图。

图1中，“弹性永磁体”与铜片3间隔布置，铜片5表面涂有凡士林8，以减 小由高弹橡胶2压缩引起的铜片5与高弹橡胶2之间的摩擦损耗，图5为高弹橡 胶2的外形轮廓图。

图1中，核心环装入套筒4中，套筒4和端盖板5均采用碳纤维材料制成， 且套筒4内壁涂有高强度环氧树脂粘结剂7，以将核心环与套筒4的内壁牢固粘 结。图6为端盖板5的平面图，同样用高强度环氧树脂粘结剂7将端盖板5安装 并固定在该阻尼装置两端。核心环、套筒4和端盖板5之间紧密连接。以上组装 结束后，用高强度环氧树脂粘结剂7对装置整体进行密封，使湿气、雨水等无法 进入装置内部，从而保证装置的耐久性。

如图1、2、3所示，将该阻尼装置套在斜拉索6的指定部位，并用高强度环 氧树脂粘结剂7将该阻尼装置固定在斜拉索6上。为了增强该减振装置与斜拉索 表面的粘结力，在拉索对应安装部位进行表面打磨处理。