CN102561174B - 一种绿色减震、减振桥塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绿色减震、减振桥塔，包括常规桥塔、调谐质量阻尼器系统和调谐液体阻尼器系统。本发明将减振技术和绿色环保的理念相结合，将绿色植物容纳箱作为TMD的质量块，通过隔震橡胶垫和结构表面连接；将水箱作为TLD的质量体，和塔顶相连。本发明可以利用TMD和TLD减小各类激励下桥塔上部在水平各个方向的振动响应，通过隔震橡胶垫的阻尼耗能减振，还可以美化塔顶观赏环境；此外，设置竖向减震螺栓以限制隔震橡胶垫的竖向位移，并增强竖向耗能作用。本发明设计简单、造价低廉，随着对大跨度桥梁桥塔抗震设计重视程度的不断提高，该绿色减震、减振桥塔将有着广泛的工程应用前景，产生显著的经济社会效益。

Description

一种绿色减震、减振桥塔

技术领域

本发明涉及一种具有减震（振）作用的绿色减震、减振桥塔，特别适合在大跨度斜拉桥、悬索桥等大型桥梁中采用，以绿色环保手段来减小桥塔结构在地震、风、车辆等作用下的振动响应。

背景技术

地震、风灾都是常见的自然灾害，造成巨大的人员伤亡和经济损失。近年来，地震灾害不断发生，我国2008年汶川地震造成69227人死亡，374643人受伤，2010年玉树青海地震造成2698人死亡。其中，土木工程结构的损坏和倒塌是造成经济损失和人员伤亡的主要原因之一。与此同时，全球气候近年来也变化较大，台风、飓风等显得更加猖獗，风灾损失也每年递增。

我国当前正处于土木工程建设蓬勃发展的阶段，桥梁结构从跨江逐渐向跨海发展，大量特大跨径缆索支承桥梁（包括斜拉桥和悬索桥）结构不断出现，随之而来的是桥塔的高度也越来越高。例如2005年建成通车的润扬悬索桥桥塔为210米，2008年建成通车的苏通斜拉桥的桥塔已经达到306米。随着桥塔高度的进一步增大，其抗风、抗震设计不容忽视。现有的大跨度桥梁的桥塔已有一部分考虑了抗震的需求，比如日本的明石海峡大桥，在桥塔内部安装了MTMD以减小桥塔的振动响应，但由于该桥中的TMD对施工的要求比较高，因而未能得到推广应用。桥梁结构是生命线工程，大跨径桥梁结构更是国家重点投资的工程，而桥塔是其中最为关键的构件之一，因此大跨度桥梁桥塔结构的减震（振）设计至关重要。

结构振动控制是国内外工程界研究的热点之一，结构被动控制是国内外研究最早应用最多的一种振动控制方式，目前在理论上和应用上都取得了很多成果，其中调谐质量阻尼器（Toned Mass Dampers,简称TMD）是最为常用的类型之一，它利用主结构受激振而振动时，子结构产生的一个与主结构振动方向相反的惯性力来使主结构的反应衰减并受到控制。调谐液体阻尼器（Toned Liquid Dampers,简称TLD）也被经常用于高耸结构的振动控制当中，它利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用。

为了贯彻执行资源节约和环境保护的国家发展战略政策，绿色环保的土木结构势必会成为日后结构设计的热点和主流。绿色结构充分利用阳光，节省能源，提高城市绿化覆盖率，减轻减市污染，为人类创造一种接近自然的感觉。但是相关绿色环保思想在大型桥梁结构桥塔中的应用尚未开展，用于桥塔的减震（振）控制还远未涉及。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够在实施桥塔减震（振）的同时实现绿色建筑构思的减震、减振桥塔。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的绿色减震、减振桥塔包括常规桥塔、调谐质量阻尼器系统和调谐液体阻尼器系统。

调谐质量阻尼器系统包括上部的植物容纳箱部分、下部的隔震橡胶垫部分以及连接装置。其中，植物容纳箱为上部开口的箱型结构，上面培育植物，植物下面放置质量较大的鹅卵石、沙子、泥土等，保证有一定的质量。

调谐液体阻尼器系统包括放置在塔顶上的水箱，通常的个数通常为1～2个，用于浇灌植物。水箱内部装水的体积为水箱容积的2/3左右，以保证较优的减震（振）能力。水箱系统构成了调频液体阻尼器，水箱上也可以覆盖植物。

植物容纳箱下部的隔震垫可以选用阻力大、耗能性能较好的橡胶，隔震垫上部与植物容纳箱通过钢顶板连接。隔震橡胶垫下部通过竖向减震螺栓和地面连接。竖向减震螺栓由螺栓头以及橡胶圈组成，提供水平面内的约束，使得上部的植物容纳箱和水箱能够提供纵向、横向和扭转的减震（振）作用；竖向自由，不仅可以避免竖向地震下隔震垫的受拉破坏，还可以压缩耗能以减小底板在竖向地震作用下的响应。植物容纳箱和隔震橡胶垫共同组成一个TMD系统，水箱系统构成一个TLD系统。

质量块的振荡与主结构总是保持异相，因此通过TMD系统与橡胶隔震垫的连接，质量块总能作用一个与主结构质量运动方向相反的惯性力，使桥塔纵向、横向及扭转位移幅度降低；水箱中的水也是同样的原理。在一般的小位移（小振）情况下，该系统减震（振）功效不是非常明显，而塔顶的位移较下部要显著很多，因此在大位移（中大振）情况下，该TMD和TLD系统便发挥了有效的减震（振）作用。另外，隔震橡胶垫有较大的阻尼，本身也有耗能减震（振）的作用。

植物容纳箱的四周，位于立柱表面和横梁底部突出的混凝土梁边缘，安装有抗震限位挡块，防止植物容纳箱在强地震作用下位移过大而跌落。立柱和混凝土梁可以给抗震限位挡块提供很好的支撑。塔顶的水箱可以安装防护装置以避免强震下水箱的跌落。

本发明中所采用的植物容纳箱、隔震橡胶垫TMD系统以及水箱TLD系统具有构造简单、减震（振）效果好的优点，能达到有效控制桥塔纵横向位移、提高抗扭能力和减小桥梁震害的作用。

常规的TMD系统利用弹簧将质量块和结构相连，拥有沿弹簧方向即竖向的减震能力。然而桥塔在竖向有足够的刚度，主要在水平向有较大的振动响应，因此本发明将常规TMD系统中的弹簧改成隔震橡胶垫。隔震橡胶垫具有简单的构造和良好的耗能隔震能力，将调谐质量阻尼器放在橡胶隔震垫的上面，在合理选取隔震垫类型和参数的基础上，可以在发挥橡胶隔震垫的耗能能力以及TMD的振动控制能力的同时，还能使得隔震垫对水平各向地震都具有良好的隔震能力，使得TMD在水平面内各个方向都能充分发挥作用。此外，将基座竖向加以释放既能发挥TMD在竖向的减震能力，又能大大减小地震作用下橡胶垫损伤的产生。

有益效果：本发明通过将植物容纳箱和隔震橡胶垫相结合，设计出一种新型绿色减震、减振桥塔，既结合了调谐质量阻尼器TMD、调频液体阻尼器TLD的功能和橡胶垫耗能减振的功能，还具有绿化美观、改善环境的功能，使得桥塔顶端在各类激励下的振动响应大幅度降低，同时能给塔顶参观的人带来良好的观赏环境。本发明设计巧妙、造价低廉，具有多重效果，随着国民经济的发展和大跨度桥梁工程超高型桥塔的不断新建，本发明的绿色减震、减振桥塔必将在跨江、跨海等大型桥梁工程中广泛应用，产生显著的经济社会效益。

附图说明

图1为本发明在桥塔上的布置图；

图2为本发明在横梁上布置的俯视图；

图3为本发明的正视图（截取有代表性的一段）；

图4为竖向减震螺栓的放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至3所示，本发明的绿色减震、减振桥塔包括常规桥塔、调谐质量阻尼器系统和调谐液体阻尼器系统。其中，常规桥塔包括两侧的立柱1和设置在立柱1之间的上横梁3、中横梁4、下横梁5和主梁6；调谐质量阻尼器系统包括植物容纳箱7和安装在底板10上的橡胶隔震垫9，橡胶隔震垫9上部与植物容纳箱7通过上连接用钢板8连接，底板10通过竖向减震螺栓11与横梁地面连接；调谐液体阻尼器系统包括固定在塔顶的水箱12。如图4所示，竖向减震螺栓11包括螺栓头和套装在螺栓上的橡胶圈13。TMD系统的橡胶隔震垫9可以间隔一段距离布置，底板10通过直径、长度合适的竖向减震螺栓11和结构表面连接。植物容纳箱7的四周，位于立柱1表面和横梁底部突出的混凝土梁边缘，安装有抗震限位挡块2，防止植物容纳箱7在强地震作用下位移过大而跌落。立柱1和混凝土梁可以给抗震限位挡块提供很好的支撑。上连接用钢板8与植物容纳箱7用高强螺栓连牢。

本发明的绿色减震、减振桥塔的原理是将植物容纳箱7作为质量块，与橡胶隔震垫9形成TMD减震（振）系统；水箱12作为液体质量体，构成TLD减震（振）系统；除上连接用钢板8、底板10、橡胶隔震垫9等必要部分外，还包括高强螺栓、连接用预埋件等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种绿色减震、减振桥塔，其特征在于：包括常规桥塔、调谐质量阻尼器系统和调谐液体阻尼器系统，所述常规桥塔包括两侧的立柱（1）和立柱（1）之间的横梁；所述调谐质量阻尼器系统包括植物容纳箱（7）和安装在底板（10）上的橡胶隔震垫（9），所述橡胶隔震垫（9）上部与植物容纳箱（7）通过钢板（8）连接，所述底板（10）通过竖向减震螺栓（11）与横梁地面连接；所述调谐液体阻尼器系统包括固定在塔顶的水箱（12）。

2.根据权利要求1所述的绿色减震、减振桥塔，其特征在于：所述植物容纳箱（7）周边设有抗震限位挡块（2）。

3.根据权利要求1所述的绿色减震、减振桥塔，其特征在于：所述竖向减震螺栓（11）包括螺栓头和套装在螺栓上的橡胶圈（13）。

4.根据权利要求1所述的绿色减震、减振桥塔，其特征在于：所述植物容纳箱（7）为上部开口的箱型结构，植物容纳箱（7）上面培育植物，植物下面放置鹅卵石、沙子或泥土。

5.根据权利要求1所述的绿色减震、减振桥塔，其特征在于：所述水箱（12）内部装水的体积为水箱（12）容积的2/3。

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