CN102776835A - 一种施工状态拱形钢塔的水下阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种施工状态拱形钢塔的水下阻尼器，所述水下阻尼器采用钻孔式、封闭开孔式、敞口式三种形式之一，且均为对称结构：(1)钻孔式：在阻尼器的运动方向上钻孔，利用水流通过管道发展形成湍流，与管壁的切应力增大阻力；(2)封闭开孔式：在内部空洞的立方体箱体表面打孔，顶面不打孔，其他五个面打孔，使水流在箱体内部产生湍流，从而达到耗能的目的；(3)敞口式：采用不平整的表面，包括“工”字型或者“王”字型，增大阻尼器对流场的扰动，从而增大阻尼。而架设水下阻尼器后的弹簧振子系统的加速度衰减得十分迅速，这就说明本发明所设计的水下阻尼器起到了增大系统阻尼的效果，而且该效果十分显著。

Description

一种施工状态拱形钢塔的水下阻尼器

技术领域

本发明涉及的是一种施工状态拱形钢塔的水下阻尼器。

背景技术

桥塔的材料、截面形状、所处的流场状态、所处的施工状态及其构造形式等因素决定了桥塔结构的阻尼、刚度和频率等动力特性和气动特性，进而由这些内外因素决定了桥塔的风致振动。因此，针对上述影响因素可以采取三方面的减振措施。

(1)桥塔结构措施(材料、构造形式)。钢桥塔的阻尼比小于钢与混凝土混合式桥塔的阻尼比，也小于混凝土桥塔的阻尼比，较大阻尼比的混凝土桥塔其风致振动较小。构造形式方面，相对于独柱式、钻石形、A字形和人字形桥塔，双柱式桥塔的基频相对较低。当其他条件相同时，双柱式桥塔较易发生涡激共振，其振动幅值尤其是扭转位移比较大，设计时需谨慎处理。

(2)机械减振措施。主要是通过布设阻尼器增加桥塔的阻尼。从控制方法上主要分为主动控制、被动控制、半自动控制和混合控制。由于除了被动控制以外的其他控制方法都需要外部能源，并且构造复杂，难于修护更换。推荐使用被动控制方法，目前可选的阻尼器有调谐阻尼器TMD，TLD，TLCD，多重调谐阻尼器MTMD和MTLD。安放阻尼器的位置宜在需控制模态振型的最大位移处。

(3)气动措施。主要是优化桥塔塔柱的气动断面，可以把矩形断面向外侧倒圆角、向内侧倒矩形角、向内侧倒圆角、在外侧倒直角，或者在顺桥向或横桥向开凹槽。这样做都可以不同程度上改善桥塔的气动性能。另外，在施工架设桥塔时，施工方法、施工工序、施工机械的使用以及临时支撑和脚手平台的使用应该考虑到抗风要求以及由此带来的利弊关系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种施工状态拱形钢塔的水下阻尼器。

本发明的技术方案如下：

一种施工状态拱形钢塔的水下阻尼器，所述水下阻尼器采用钻孔式、封闭开孔式、敞口式三种形式之一，且均为对称结构：

(1)钻孔式：在阻尼器的运动方向上钻孔，利用水流通过管道发展形成湍流，与管壁的切应力增大阻力；

(2)封闭开孔式：在内部空洞的立方体箱体表面打孔，顶面不打孔，其他五个面打孔，使水流在箱体内部产生湍流，从而达到耗能的目的；

(3)敞口式：采用不平整的表面，包括“工”字型或者“王”字型，增大阻尼器对流场的扰动，从而增大阻尼。

本发明的有益效果为：

(1)架设水下阻尼器前的弹簧振子系统的阻尼比较小，其加速度衰减较为缓慢；而架设水下阻尼器后的弹簧振子系统的加速度衰减得十分迅速，这就说明本发明所设计的水下阻尼器起到了增大系统阻尼的效果，而且该效果十分显著。

(2)随着水下阻尼器体积的增大，系统的阻尼比呈递减趋势，这主要是因为水下阻尼器的体积增大后，其浮力也随之增大，进而影响到系统阻尼比的增加，降低了水中阻尼器的减振效果。可见，在实际工程当中，应根据具体结构的规模来合理设计水中阻尼器的大小，以达到最佳的减振效果。

(3)水下阻尼器的减振效果存在着一个最优的孔隙率。因此，针对本研究的实际工程应用(之江大桥拱形钢塔)，建议采用6.28％孔隙率的水下阻尼器。

附图说明

图1为水下阻尼器的结构示意图；1-1钻孔式；1-2封闭式开孔；1-3敞口式-王字型；1-4敞口式-工字型

图2为水下阻尼器的减振试验示意图；

图3为未架设水下阻尼器时弹簧振子的加速度衰减过程

图4为架设水下阻尼器后(不同孔隙率)弹簧振子的加速度衰减过程，图a孔隙率Q1＝12.56％；图b孔隙率Q4＝3.14％；

图5为不同体积大小对水下阻尼器减振效果的影响；

图6为不同孔隙率对水下阻尼器减振效果的影响，该立方体为10×10×10cm

图7为桥塔阻尼器应用示意图。

1钢绞线，2基础，3拱塔，11阻尼器，21数据线，22钢支架，23水，24水桶，25加速度计，26弹簧。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例设计了三类水下阻尼器，均为对称结构：

(1)钻孔式：在阻尼器的运动方向上钻孔，利用水流通过管道发展形成湍流，与管壁的切应力增大阻力。阻尼器形式如图1-1所示。

(2)封闭式开孔式：在内部空洞的阻尼器表面打孔(顶面不打孔，其他五个面打孔)，使水流在阻尼器内部产生湍流，从而达到耗能的目的，形式如图1-2所示。

(3)敞口式：采用不平整的表面，例如“工”字型、“王”字型，增大阻尼器对流场的扰动，从而增大阻尼，形式如图1-3所示。

实施例2

(1)体积对其减振效果的影响

水下临时阻尼器的体积大小对其减振效果有很大的影响，本实施例拟考虑三种不同的体积：10×10×10cm、15×15×15cm、20×20×20cm，以探讨体积大小对水下阻尼器减振性能的影响。

(2)开孔率的影响

水下阻尼器的开孔率能影响通过制振装置的水流量，进而影响水流对制振装置所产生的阻力大小。因此，本实施例拟探讨不同的开孔率对水下临时阻尼器减振效果的影响，即在保证同等过水面积的前提下，调整孔洞的个数和口径，以研究开孔率(总的开孔面积比上六个面的总面积)的影响。

(3)试验结果

水下阻尼器的减振效果

图2为10×10×10cm的水下阻尼器(封闭开孔)的减振试验示意图。图3给出了未架设水下阻尼器时弹簧振子的加速度衰减过程，而图4则给出架设了10×10×10cm水下阻尼器后(不同孔隙率)的弹簧振子的加速度衰减过程。对比图3和图4可以看出：架设水下阻尼器前的弹簧振子系统的阻尼比较小，其加速度衰减较为缓慢；而架设水下阻尼器后的弹簧振子系统的加速度衰减得十分迅速，这就说明本研究所设计的水下阻尼器起到了增大系统阻尼的效果，而且该效果十分显著。

表1计算了架设和未架设水下阻尼器时的系统阻尼比，从中可以看出：对比架设水下阻尼器前的系统阻尼，架设水下阻尼器后的系统阻尼比有了十分显著的增大。

表1架设和未架设水下阻尼器时的系统阻尼比的计算

不同体积大小的影响

图5给出了不同体积大小对水下阻尼器减振效果的影响，从中可以看出：随着水下阻尼器体积的增大，系统的阻尼比呈递减趋势，这主要是因为水下阻尼器的体积增大后，其浮力也随之增大，进而影响到系统阻尼比的增加，降低了水中阻尼器的减振效果。可见，在实际工程当中，应根据具体结构的规模来合理设计水中阻尼器的大小，以达到最佳的减振效果。

不同孔隙率的影响

图6给出了不同孔隙率对水下阻尼器减振效果的影响，从中可以看出：

(1)对于10×10×10cm的水下阻尼器模型，随着孔隙率的增大，其系统阻尼比呈递增趋势，但当孔隙率超过6.28％，其系统阻尼比的增幅并不是十分显著；

(2)而对于15×15×15cm和20×20×20cm的水下阻尼器模型，其系统阻尼比在孔隙率为6.28％是达到了峰值，之后则随着孔隙率的增大而减小；

可见，水下阻尼器的减振效果存在着一个最优的孔隙率。因此，针对本研究的实际工程应用，建议采用6.28％孔隙率的水下阻尼器。

实施例3

本发明水下阻尼器的应用：

(1)如图7所示，在水上施工平台上设置六处滑轮组，其中，沿顺桥向布置四组滑轮组，沿横桥向布置两组滑轮组；

(2)在拱塔3顶部固定钢绞线1的一端，另一端穿过水上施工平台的滑轮组，延伸至水下5m左右的深度，此类钢绞线共布置六组；

(3)事先预制好六组水下阻尼器11(蜂窝煤状空心钢沉箱、除顶面外的其它各面都打孔，且各个孔洞都是沿着水平向布置并贯穿钢沉箱，即封闭开孔式)，在钢绞线的另一端安装水下阻尼器11；

(4)为了保证水下阻尼器11(蜂窝煤状空心钢沉箱)不受平时河水流动的影响(保证其减振的有效性)，在相应位置设置六个空心钢管并打入河床底部，同时，在空心钢管中注满水并将水下阻尼器至于其中，如此即可避免水流的运动对减振装置的影响；

(5)当风速较大时，合拢前的拱塔3将会产生风致振动，此时，拱顶的振动将会通过钢绞线传递至水下阻尼器11，进而引起水下阻尼器11的竖向运动；

(6)当水下阻尼器11在水中上下浮沉时，必定会引起水流在水下阻尼器11(蜂窝煤状钢沉箱)的水平孔洞中运动，进而改变流场以达到增大结构体系阻尼的效果，如此即可抑制水下阻尼器11运动，进而间接减小钢拱塔顶部风致振动；

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种施工状态拱形钢塔的水下阻尼器，其特征在于，所述水下阻尼器采用钻孔式、封闭开孔式、敞口式三种形式之一，且均为对称结构：

(1)钻孔式：在阻尼器的运动方向上钻孔，利用水流通过管道发展形成湍流，与管壁的切应力增大阻力；

(2)封闭开孔式：在内部空洞的立方体箱体表面打孔，顶面不打孔，其他五个面打孔，使水流在箱体内部产生湍流，从而达到耗能的目的；

(3)敞口式：采用不平整的表面，包括“工”字型或者“王”字型，增大阻尼器对流场的扰动，从而增大阻尼。

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