CN105317006B - 缆索承重桥梁及其辅助索监测减振系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于桥梁工程技术领域，提供了一种缆索承重桥梁及辅助索监测减振系统。辅助索监测减振系统包括辅助索与监控装置，辅助索由预张拉的处于马氏体状态的形状记忆合金制成。缆索或吊杆通过辅助索连接，监控装置包括电源模块、数据采集模块、A/D转换模块、控制模块、电流调节模块。辅助索可接入电流，数据采集模块采集辅助索的电阻变化信号；A/D转换模块将电阻变化信号转换成数字信号后传给控制模块；当辅助索发生过大变形时，控制模块控制电流使其升温，然后辅助索由于形状记忆效应而产生收缩，从而拉紧缆索，改变缆索的振动模态频率分布，并由马氏体转变为奥氏体，振动时可产生超弹性耗能，加大了模态阻尼从而达到减振的目的。

Description

缆索承重桥梁及其辅助索监测减振系统

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，尤其涉及一种缆索承重桥梁及其辅助索监测减振系统。

背景技术

缆索承重桥梁是由承压的塔、缆索(斜拉索、吊杆)和承弯的梁体组合起来的一种结构体系；其具有桥塔形式多变、可悬臂施工和美观等优点。作为缆索承重桥梁主要承重构件的斜拉索和(缆索、吊杆)，具有柔性大、内阻尼低、固有频率分布广等特点，极易在风、风雨等外界激励下发生振动。

经过大量的研究，国内外学者发现斜拉索和吊杆的致振机理非常复杂；目前，抑制斜拉索和吊杆振动的主要手段是被动控制，其主要措施包括：一为通过改变斜拉索和吊杆表面形状以改变斜拉索和吊杆的气动特性；二为在斜拉索近端部增设被动减振阻尼器；三为辅助索将拉索相互连接成一个索网体系。辅助索方法的主要手段是将各主要斜拉索和吊杆相互连接，这样带来的好处是：提高了斜拉索体系和缆索吊杆体系的整体的刚度，提高了斜拉索和吊杆各阶振型的广义质量，增加了斜拉索和吊杆的机械阻尼和气动阻尼，斜拉索和吊杆振动时各模态间相互耦合。然而由于复杂环境的变化，斜拉索的维护和监测也成了人们所关心的问题。

形状记忆合金是一种兼有感知和驱动功能的新型材料，它与传统材料的区别是具有形状记忆效应和大变形超弹性特性，高阻尼，耗能性能好，能够重复屈服而不产生永久变形，耐久性好等特点；并且在大变形的条件下，处在马氏体状态下的形状记忆合金电阻容易发生改变，同时，当形状记忆合金的电流变大时，形状记忆合金升温由马氏体转变为奥氏体而由于形状记忆效应而产生收缩现象。随着研究的深入和成本的降低，用于研发缆索承重桥梁的减振监测系统有很大的潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种缆索承重桥梁及其辅助索监测减振系统，旨在监测以及减弱缆索承重桥梁的振动强度。

本发明是这样实现的，一种缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，包括辅助索，所述辅助索由预张拉的处于马氏体状态的形状记忆合金制成；桥梁的缆索之间或吊杆之间通过所述辅助索相互连接，所述辅助索监测减振系统还包括监控装置，所述监控装置包括电源模块、数据采集模块、A/D转换模块、控制模块以及电流调节模块；

所述辅助索通过所述电源模块接入电流，所述数据采集模块的输入端以及电流调节模块的输出端与所述辅助索电连接，所述数据采集模块的输出端与所述A/D转换模块的输入端电连接，所述A/D转换模块的输出端与所述控制模块的输入端电连接，所述控制模块的输出端与所述电流调节模块的输入端电连接；

所述数据采集模块采集辅助索的电阻变化信号；所述A/D转换模块将所述电阻变化信号转换成数字信号后，传输给所述控制模块；控制模块根据电阻变化信号得到辅助索的变形值，当所述辅助索的变形值接近马氏体的弹性形变极限时值，所述控制模块控制所述电流调节模块将输入到所述辅助索的电流增大，以使所述辅助索收缩。

进一步地，所述监控装置还包括用于检测所述辅助索温度的温度检测模块，所述温度检测模块安装于所述辅助索内，其与所述数据采集模块的输入端电连接；所述电流调节模块内部设置有过压/过温保护电路，当所述过压/过温保护电路检测到辅助索电压或温度达到某一预警值时，所述控制模块控制所述电流调节模块将输入到所述辅助索的电流减小，当辅助索温度或电压达到某一极限值时，所述控制模块控制所述电流调节模块将所述辅助索中的电流切断。

进一步地，所述辅助索包括芯线以及绝缘层，所述绝缘层包裹所述的芯线，所述芯线由多股形状记忆合金绞线捻制而成，每股形状记忆合金绞线由多根形状记忆合金绞丝捻制而成。

进一步地，所述辅助索监测减振系统还包括索扣、套箍以及锚具，所述索扣固连在各缆索的外部套筒上，所述套箍固定在所述索扣上，所述辅助索穿过所述套箍，并串接在各缆索之间，其一端固定在最长的缆索上，另一端通过所述锚具固定在桥梁的梁体或桥塔上。

进一步地，所述锚具包括螺栓连接件、锚头以及按扣；所述螺栓连接件的一端与梁体固定连，另一端部设置有外螺纹，所述锚头包括本体、环形卡带以及扣钉；所述本体上开设有螺纹孔，所述螺栓连接件具有外螺纹的一端与所述螺纹孔螺纹连接；所述本体的底部开设有第一卡孔，其侧面开设有第二卡孔，所述环形卡带的一端固定于所述本体的一侧，其另一端上设置有第一卡钉，所述环形卡带绕过所述本体的其他侧面后，通过所述第一卡钉卡入所述第一卡孔内；所述按扣呈条形状，其一端与所述辅助索固定连接，另一端设置有第二卡钉，所述第二卡钉卡入所述本体的第二卡孔内。

进一步地，所述辅助索监测减振系统还包括锚板，所述锚板上安装有一凸环，所述螺栓连接件呈“U”型，所述螺栓连接件扣入所述凸环内。

本发明为解决上述技术问题，还提供了一种缆索承重桥梁，包括水平设置的梁体、竖向设置的桥塔、倾斜地连接于所述梁体与桥塔之间的若干条缆索以及上述的辅助索监测减振系统，所述若干条缆索相间设置。

本发明为解决上述技术问题，还提供了一种缆索承重桥梁，包括水平设置的梁体、竖向设置的桥塔、连接于两桥塔之间的缆索、竖向地连接于所述缆索以及梁体之间的若干吊杆以及上述的辅助索监测减振系统，所述若干条吊杆相间设置。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的缆索承重桥梁具有辅助索监测减振系统，其辅助索由形状记忆合金制成，并且接入电流。在缆索振动幅值很小的时候不会触发辅助索监测减振系统供电。当缆索发生大幅振动时，将会使辅助索发生很大的形变，导致其电阻发生变化，控制系统监测到辅助索的电阻(变形)超过限值后，通过改变输入电流的大小控制辅助索的温度，监控装置能实时地监测辅助索的电流和升温情况，并通过电流调节模块控制电流大小来控制辅助索温度，控制辅助索的收缩量，从而拉紧缆索，改变缆索的振动模态频率分布，使辅助索由马氏体转变为奥氏体，振动时可产生超弹性耗能，并加大了模态阻尼从而达到减振的目的。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种缆索承重桥梁的示意图。

图2是实施例一中的辅助索的横截面示意图。

图3是实施例一中的索扣与套箍的主视示意图。

图4是实施例一中的索扣与套箍的左视示意图。

图5是实施例一中的索扣与套箍的仰视示意图。

图6是实施例一中的螺栓连接件的主视示意图。

图7是实施例一中的锚头的主视示意图。

图8是实施例一中的锚头的横截面示意图。

图9是实施例一中的锚具的纵向剖视示意图。

图10a是实施例一中辅助索接地时的示意图。

图10b是实施例一中辅助索不接地时的示意图。

图11是本发明实施例二提供的一种缆索承重桥梁的示意图。

图12a是实施例二中三根吊杆与辅助索连接时的示意图。

图12b是实施例二中两根吊杆与辅助索连接时的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的实施例一，一种缆索承重桥梁，也称斜拉桥，其包括水平设置的梁体100、竖向设置的桥塔200以及倾斜地连接于梁体100与桥塔200之间的若干条缆索300以及辅助索监测减振系统400，若干条缆索300相间设置。

辅助索监测减振系统400包括辅助索1以及监控装置2。辅助索1由预张拉的处于马氏体状态的形状记忆合金制成，桥梁的缆索300之间通过辅助索1相互连接，两根辅助索1交叉地设置于相邻的两根缆索300之间。监控装置2包括电源模块26、数据采集模块22、A/D转换模块23、控制模块24以及电流调节模块25。

辅助索1通过电源模块26接入电流，数据采集模块22的输入端以及电流调节模块25的输出端与辅助索1电连接，数据采集模块22的输出端与A/D转换模块23的输入端电连接，A/D转换模块23的输出端与控制模块24的输入端电连接，控制模块24的输出端与电流调节模块25的输入端电连接。

数据采集模块22采集辅助索1的电阻变化信号，A/D转换模块23将电阻变化信号转换成数字信号后，传输给控制模块24；控制模块24根据电阻变化信号值得到辅助索1的变形，当辅助索1的变形值接近马氏体的弹性形变极限值，控制模块24控制电流调节模块25将输入到辅助索1的电流增大，辅助索1的温度上升，以使辅助索1收缩。

在缆索300振动幅值很小的时候不会触发辅助索监测减振系统400供电。当缆索300发生大幅振动时，将会使辅助索1发生很大的形变，导致其电阻发生变化，控制模块24监测到辅助索1的电阻(变形)超过限值后，通过改变输入电流的大小控制辅助索1的温度，监控装置2能实时地监测辅助索1的电流和升温情况，并通过电流调节模块25控制电流大小来控制辅助索1温度，控制辅助索1的收缩量，从而拉紧缆索300，改变缆索300的振动模态频率分布，使辅助索1由马氏体转变为奥氏体，振动时可产生超弹性耗能，加大了模态阻尼从而达到减振的目的。

进一步地，上述监控装置2还包括用于检测辅助索1温度的温度检测模块，在实际应用中，可选用热电偶作为温度检测模块。温度检测模块安装于辅助索1内，其与数据采集模块22的输入端电连接；电流调节模块25内部设置有过压/过温保护电路，当过压/过温保护电路检测到辅助索1电压或温度达到某一预警值时，控制模块24控制电流调节模块25将输入到辅助索1的电流减小，当辅助索1温度或电压达到某一极限值时，控制模块24控制电流调节模块25将辅助索1中的电流切断，从而确保整个监测减振系统400的安全使用。另外，还可以在辅助索1与电流调节模块25之间设置保险丝27来防止电流过大所产生的危险。

请参见图2，本实施例中的辅助索1包括芯线11以及绝缘层12，绝缘层12包裹芯线11，芯线11由多股形状记忆合金绞线111捻制而成，每股形状记忆合金绞线111由多根形状记忆合金线丝捻制而成。电流可以在芯线11上传输，绝缘层12可避免芯线11与外界的导电物体接触。多股结构的形状记忆合金绞线111具有更大的减震耗能能力，还能提供更大的形状记忆效应和超弹性效应。另外，作为机械连接的紧固件时，也能提供更大的机械力。

辅助索监测减振系统400还包括索扣3、套箍4、锚具5以及锚板6。索扣3固连在各缆索300的外部套筒上，套箍4固定在索扣3上，辅助索1穿过套箍4，并串接在各缆索300之间，其一端固定在最长的缆索300上，另一端通过锚具5固定在桥梁的梁体100上。当然锚具5也可固定在桥塔200上，于本实施例不作详细说明。

请参见图3至图5，索扣3由两个构件31可拆卸地对接而成，两个构件31上开设有凹槽(图中未示出)，两个构件31对接后，两者的凹槽形成一容置缆索300的容置空间。用螺栓32将两个构件31初步对接，将缆索300穿过容置空间后，继续旋转螺栓32将两个构件31锁紧。套箍4包括箍体41、锁紧螺栓42以及锁紧螺帽43。箍体41通过锁紧螺栓42以及锁紧螺帽43将辅助索1夹紧在索扣3的侧面上。

请参见图6至图9，锚具5包括螺栓连接件51、锚头52以及按扣53。螺栓连接件51的一端与梁体100固定连接，另一端部设置有外螺纹，本实施例中的螺栓连接件51呈“U”型。

锚头52包括本体521、环形卡带522以及扣钉。本体521上开设有螺纹孔，螺栓连接件51具有外螺纹的一端与螺纹孔螺纹连接。本体521的底部开设有第一卡孔(图中未示出)，其侧面开设有第二卡孔(图中未示出)，环形卡带522的一端固定于本体521的一侧，其另一端上设置有第一卡钉5221，环形卡带522绕过本体521的其他侧面后，通过第一卡钉5221卡入第一卡孔内。按扣53呈条形状，其一端与辅助索1固定连接，另一端设置有第二卡钉531，第二卡钉531卡入本体521的第二卡孔内。锚板6上安装有一凸环61，螺栓连接件51扣入凸环61内。

在使用过程中，先把锚板6锚固于梁体100上，再把螺栓连接件51穿过锚板6上的凸环61，旋转螺栓连接件51，使其与锚头52连接，可通过旋转螺栓连接件51，调整其与与锚头52本体521的相对距离，从而实现辅助索1的张拉。

请参见图10a、10b，经过上述监控装置2的减振后，如发现振动仍未减弱或没减弱到需要的程度，可放开辅助索1与梁体100间的锚具5，即解除按扣53与锚头52之间的连接关系。从而将斜拉桥的辅助索1接地的体系转换成不接地的体系，从而更进一步地改变系统振动频率从而达到减振目的，此时的体系仍可以按照辅助索1接地时的体系进行监测减振。

在将上述监测减振系统安装在斜拉桥上时，辅助索1安装顺序为从最上面的一条缆索300(斜拉主索)开始安装，安装好第二条缆索300时应当拉紧辅助索1，即要施加适当的预张力，然后通过索扣锁紧辅助索1，原则上应保证缆索300振动时辅助索1始终处于受拉状态，最后通过锚具5和锚板6锚固于梁体100上。

请参见图11，为本发明的实施例二，一种缆索承重桥梁，也称悬索桥，其包括水平设置的梁体100、竖向设置的桥塔200、连接于两桥塔之间的缆索300、辅助索监测减振系统400＇以及竖向地连接于缆索300以及梁体100之间的若干吊杆500，若干条吊杆500相间设置，两根辅助索1交叉地设置于相邻的两根吊杆500之间。

本实施例中的辅助索监测减振系统包括实施例一中的辅助索1以及监控装置2。

请参见图12a、12b，经过上述监控装置2的减振后，如发现振动仍未减弱或没减弱到需要的程度，可减少吊杆500的数量，从而更进一步地改变系统振动频率从而达到减振目的，此时的体系仍可以按照减少吊杆500数量前的体系进行监测减振。

在将辅助索监测减振系统400＇安装在吊杆500上时，辅助索1安装顺序为从左端向右端吊杆500或者从右端向左端吊杆500依次安装辅助索1，安装好第二根吊杆500时应当拉紧辅助索1，即要施加适当的预张力，然后通过索扣3锁紧辅助索1，原则上应保证吊杆500振动时辅助索1始终处于受拉状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，包括辅助索，所述辅助索由预张拉的处于马氏体状态的形状记忆合金制成；桥梁的缆索之间或吊杆之间通过所述辅助索相互连接，其特征在于，所述辅助索监测减振系统还包括监控装置，所述监控装置包括电源模块、数据采集模块、A/D转换模块、控制模块以及电流调节模块；

所述辅助索通过所述电源模块接入电流，所述数据采集模块的输入端以及电流调节模块的输出端与所述辅助索电连接，所述数据采集模块的输出端与所述A/D转换模块的输入端电连接，所述A/D转换模块的输出端与所述控制模块的输入端电连接，所述控制模块的输出端与所述电流调节模块的输入端电连接；

所述数据采集模块采集辅助索的电阻变化信号；所述A/D转换模块将所述电阻变化信号转换成数字信号后，传输给所述控制模块；控制模块根据电阻变化信号得到辅助索的变形值，当所述辅助索的变形值接近马氏体的弹性形变极限时值，所述控制模块控制所述电流调节模块将输入到所述辅助索的电流增大，以使所述辅助索收缩。

2.如权利要求1所述的缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，其特征在于，所述监控装置还包括用于检测所述辅助索温度的温度检测模块，所述温度检测模块安装于所述辅助索内，其与所述数据采集模块的输入端电连接；所述电流调节模块内部设置有过压/过温保护电路，当所述过压/过温保护电路检测到辅助索电压或温度达到某一预警值时，所述控制模块控制所述电流调节模块将输入到所述辅助索的电流减小，当辅助索温度或电压达到某一极限值时，所述控制模块控制所述电流调节模块将所述辅助索中的电流切断。

3.如权利要求1所述的缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，其特征在于，所述辅助索包括芯线以及绝缘层，所述绝缘层包裹所述的芯线，所述芯线由多股形状记忆合金绞线捻制而成，每股形状记忆合金绞线由多根形状记忆合金绞丝捻制而成。

4.如权利要求1至3任意一项所述的缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，其特征在于，所述辅助索监测减振系统还包括索扣、套箍以及锚具，所述索扣固连在各缆索的外部套筒上，所述套箍固定在所述索扣上，所述辅助索穿过所述套箍，并串接在各缆索之间，其一端固定在最长的缆索上，另一端通过所述锚具固定在桥梁的梁体或桥塔上。

5.如权利要求4所述的缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，其特征在于，所述锚具包括螺栓连接件、锚头以及按扣；所述螺栓连接件的一端与梁体固定连，另一端部设置有外螺纹，所述锚头包括本体、环形卡带以及扣钉；所述本体上开设有螺纹孔，所述螺栓连接件具有外螺纹的一端与所述螺纹孔螺纹连接；所述本体的底部开设有第一卡孔，其侧面开设有第二卡孔，所述环形卡带的一端固定于所述本体的一侧，其另一端上设置有第一卡钉，所述环形卡带绕过所述本体的其他侧面后，通过所述第一卡钉卡入所述第一卡孔内；所述按扣呈条形状，其一端与所述辅助索固定连接，另一端设置有第二卡钉，所述第二卡钉卡入所述本体的第二卡孔内。

6.如权利要求5所述的缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，其特征在于，所述辅助索监测减振系统还包括锚板，所述锚板上安装有一凸环，所述螺栓连接件呈“U”型，所述螺栓连接件扣入所述凸环内。

7.如权利要求4所述的缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，其特征在于，所述索扣由两个构件可拆卸地对接而成，所述的两个构件上开设有凹槽，所述两个构件对接后，两者的凹槽形成一容置缆索的空间。

8.如权利要求7所述的缆索承重桥梁的辅助索监测减振系统，其特征在于，所述套箍包括箍体、锁紧螺栓以及锁紧螺帽；所述箍体通过锁紧螺栓以及锁紧螺帽将所述辅助索锁固在所述索扣的侧面上。

9.一种缆索承重桥梁，包括水平设置的梁体、竖向设置的桥塔以及倾斜地连接于所述梁体与桥塔之间的若干条缆索，所述若干条缆索相间设置，其特征在于，所述缆索承重桥梁还包括上述权利要求1至8任意一项所述的辅助索监测减振系统。

10.一种缆索承重桥梁，包括水平设置的梁体、竖向设置的桥塔、连接于两桥塔之间的缆索以及竖向地连接于所述缆索以及梁体之间的若干吊杆，所述若干条吊杆相间设置，其特征在于，所述缆索承重桥梁还包括上述权利要求1至3任意一项所述的辅助索监测减振系统。