用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器

摘要

用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器，它涉及一种椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器，具体涉及一种用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器。本发明为了解决普通结构形式的TMD的刚度和质量块都是垂直向下的，导致在振动过程中无法保障质量块始终垂直于拉索运动，从而使得理论分析较为复杂，减振效果变差的问题。本发明包括拉索套筒、质量筒、可调质量块和四个钢筒，拉索套筒插装在质量筒内，可调质量块固定安装在质量筒的内壁上，四个钢筒沿圆周方向均布设置在拉索套筒外壁与质量筒的内壁之间。本发明属于路桥建设领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器，具体涉及一种用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器，属于路桥建设领域。

背景技术

随着经济发展的全球化，城市建设也在不断发展，大量重大工程兴建的同时我们也面临着众多的挑战，如何有效的控制结构在风、雨、地震等作用下的大幅度振动，成为国内外学者关注的重点。桥梁结构作为国家交通系统的核心结构，它的安全与否将的直接关系到国家的利益，甚至是广大百姓的安全及切身利益问题。

斜拉桥最具代表性，斜拉桥又叫斜张桥，主要由索塔、主梁、拉索三部分组成，其中主梁受弯、拉索受拉、索塔受压，其中斜拉索承受着主梁传来的荷载，对主梁起着支撑作用。斜拉桥作为相对较新的结构形式，在实际工作中仍存在一些问题，如桥面梁和斜拉索的大幅度振动。究其原因是由于斜拉索自身的结构形式以及材料特点，通常情况下斜拉索的长细比很大，使得拉索结构具有较大的柔度和较小的阻尼，因而在自然界的荷载作用下，非常容易发生较大振幅的非线性振动，例如最常见的在风雨荷载共同作用下的风雨激振等，因而拉索大幅度振动是桥梁损坏的重要原因。现阶段应用最广泛的控制斜拉索振动的结构装置为粘滞阻尼器，但经过实践检验，由于粘滞阻尼自身构造及安装位置等因素导致其减振效果并不是很理想。具体原因包括以下几点：粘滞阻尼器一般安装在斜拉索的端部，不能有效控制斜拉索一阶模态阵型位移最大处，并且在实际中，每个斜拉索的端部振动幅度相比于跨中较小，阻尼器自身并不能发生较大的位移，因此产生的惯性力也相对较小，无法有效的发挥阻尼器对斜拉索的抑制作用，此外阻尼器的一端与桥面梁相连接，容易和桥面发生耦合振动，从而加剧拉索的振动。因此粘滞阻尼器的实际减振效果与理论相差较大。

至此我们需要使用其他结构形式的拉索控制装置，很容易想到使用理论相当成熟的调谐质量阻尼器，由于其本身构造，使TMD具有天然的优势来控制拉索振动，例如可安装在拉索的任意位置、构造简单、安装维修简单等，并在实验结果表明其对拉索控制的有效性的基础上，Tabatabai和Mehrabi A B提出利用TMD来控制斜拉索振动的想法。现阶段TMD控制技术早已成熟，并且在国内外的高层建筑和桥梁上得到广泛应用，经过实践检验，其减振效果良好，满足使用要求。此外TMD在安装、维护上具有很好的经济竞争力，对于将TMD用于拉索控制，只需要进行大量数值模拟和实验，设计合理的参数，会具有其他阻尼器不具备的天然优势，因此研究TMD抑制斜拉索振动就有很好的技术优势和经济效益。

但是普通结构形式的TMD用于拉索振动控制仍存在一些问题，例如斜拉索一般与水平面成一定角度，而普通结构形式的TMD的刚度和质量块都是垂直向下的，导致在振动过程中无法保障质量块始终垂直于拉索运动，从而使得理论分析较为复杂，减振效果变差；此外斜拉索会发生平面外和平面内的多方向振动，而普通结构形式的TMD一般意义上只能控制单方向振动。

发明内容

本发明为解决普通结构形式的TMD的刚度和质量块都是垂直向下的，导致在振动过程中无法保障质量块始终垂直于拉索运动，从而使得理论分析较为复杂，减振效果变差的问题，进而提出用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括拉索套筒、质量筒、可调质量块和四个钢筒，拉索套筒插装在质量筒内，可调质量块固定安装在质量筒的内壁上，四个钢筒沿圆周方向均布设置在拉索套筒外壁与质量筒的内壁之间。

本发明的有益效果是：1、本发明有效解决了自身重力问题，可环绕固定在任意角度的斜拉锁上，保证质量，且始终做垂直于拉索的相对运动；2、本发明的椭圆结构的抗扭矩刚度大，整体结构的刚度中心和质量中心重合，因此不会在外荷载作用下发生相对于斜拉索扭转位移，并且斜拉索本身几乎不会发生扭转，因此该结构装置稳定性高；3、本发明可控制多方向振动且各方向的刚度相同，则可将拉索-TMD三维系统简化成平面单方向振动系统，大大简化了理论分析；4、可安装固定在斜拉索的任意位置，对斜拉索的一阶振动模态进行有效的控制，结构自身维护方便、构造简单、经济成本低；不影响斜拉索结构的整体美观性；5、本发明由四个椭圆钢环和质量环组成，环绕固定在斜拉索上，当拉索受力振动时，椭圆可通过自身的往复振动来吸收能量。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的立体结构示意图；

图3是钢筒的水平方向力与变形关系计算的示意图；

图4是钢筒的竖直方向力与变形关系计算的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器包括拉索套筒1、质量筒2、可调质量块3和四个钢筒4，拉索套筒1插装在质量筒2内，可调质量块3固定安装在质量筒2的内壁上，四个钢筒4沿圆周方向均布设置在拉索套筒1外壁与质量筒2的内壁之间。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的拉索套筒1直径由斜拉索外直径确定，拉索套筒1壁厚根据工程需要可选3～10mm。

具体实施方式三：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的钢筒4的横截面为椭圆形。根据斜拉索动力特性和振动控制要求，确定椭圆形钢筒截面的长轴和短轴尺寸以及钢筒壁厚。采用能量法，根据图3计算椭圆形钢筒4自由端在大变形条件下，在水平方向的力与位移关系曲线(x～F_x(x))，并分别采用3次多项式拟合结果，作为钢筒4水平方向上的力与变形模型。采用能量法，根据图4计算椭圆形钢筒4自由端在大变形条件下，在竖直方向上的力与位移关系曲线(y～F_y(y))，并2次多项式拟合结果，作为钢筒4竖直方向上的力与变形模型。使椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器四个椭圆形钢筒的主轴方向与水平或者竖直方向平行，根据四个椭圆形钢筒4几何关系，采用水平和竖向不力与变形关系不耦合的假定，计算获得本发明中的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的水平方向上的力与变形模型，作为阻尼器的非线性刚度模型。采用割线等效方法，计算阻尼器的等效线性刚度，作为阻尼器设计刚度参数。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的质量筒2的内径由拉索套筒1外径与椭圆形钢筒2短轴确定；质量筒2和可调质量块3的总质量由斜拉索动力特性、阻尼器设计刚度和斜拉索振动控制要求确定，可调质量块3质量可取为质量筒2质量的3～10％；质量筒3壁厚由质量筒2的内径和质量确定。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的质量筒2的内壁通过螺栓5与钢筒3的外壁连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的拉索套筒1的外壁通过螺栓5与钢筒3的外壁连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的可调质量块3螺栓5与钢筒3的外壁连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的拉索套筒1由两个半圆形曲面1-1连接组成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于桥梁拉索振动控制的椭圆型薄壁结构调谐质量阻尼器的质量筒2由两个半圆形曲面2-1连接组成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。