CN105951581B - 自开启速度型水力吸耗能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自开启速度型水力吸耗能器。本发明主要包括钢箱梁、挂蓝；挂蓝放置在钢箱梁底部的方形凹洞内；挂蓝包括挂蓝底板及四周侧壁，挂蓝底板上开有若干通水孔，通水孔之上铰接有盖板；挂蓝上部四个角上分别连接有一根绳子，四根绳子绑扎在一起后再与吊绳连接，吊绳的另一端缠绕于一个转筒的一侧；转筒固装于钢箱梁的顶板上，转筒之上安装有压紧装置及摩擦片；在方形凹洞底部四个角上分别设置有一块水平托板，水平托板上设置有竖直挡板，竖直挡板通过限位弹簧与方形凹洞底部侧板连接，挂蓝底板四个角通过圆形滚珠支撑于方形凹洞底部四个水平托板上。本发明能够在桥梁振动初始时自动开启耗能器，通过水力耗能从而抑制桥梁振动。

Description

自开启速度型水力吸耗能器

技术领域

本发明属于大跨度悬索桥结构阻尼器技术领域，具体涉及一种自开启速度型水力吸耗能器。

背景技术

大跨度悬索桥能跨越大江大河，可避免深水基础的施工而得到广泛应用。但由于其跨度大，主梁和主缆阻尼小，极易在大风作用下发生大幅扭转或弯-扭组合振动而导致桥梁破坏，其抗风稳定性问题是限制其跨度进一步加大的主要影响因素。增大悬索桥阻尼，可以显著提高其抗风稳定性，但超大跨度悬索桥多处于交通繁忙的航道之上，为保证通航安全，航道中很难设置永久性固定设施，因此，目前没有很好的方法增加主梁或主缆的阻尼。

阻尼器是增加结构阻尼的最直接可靠的办法，并且可抑制结构多种形态的振动。阻尼器两端安装于结构之上，通过结构间的相对运动驱动阻尼器耗能减振，其耗能大小与结构在阻尼器两安装点的相对运动大小直接相关。阻尼器的长度与悬索桥跨度相比很小，因此现有阻尼器很难提高悬索桥主梁或主缆的阻尼。

桥梁施工时常在航道处安装临时抗风桩，用钢缆连接主梁和抗风桩，提高主梁抗风稳定性，但需要在抗风桩处停泊船只和警示标志。在桥梁施工完成后，临时设施必须清理干净，抗风缆也被清除。

成桥后的大跨度悬索桥只在大风作用下才发生大幅振动，发生振动持续时间短，且此时船只大都进港避风，航道船只相对稀疏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在桥梁振动初始时自动开启耗能器，通过水力耗能及向水中传输结构振动动能，从而抑制桥梁振动的自开启速度型水力耗能器。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该自开启速度型水力吸耗能器，它包括桥梁结构上的箱体式的钢箱梁，钢箱梁的底部加工有一个方形凹洞；它还包括一个方形的挂蓝，所述挂蓝包括挂蓝底板及固连于其上的四周侧壁，挂蓝底板上开有若干通水孔，通水孔之上铰接有盖板，未工作时盖板通过扭转弹簧处于盖紧状态，扭转弹簧的预紧力小，保证盖板下方水流能轻松冲开盖板；挂蓝上部四个角上分别连接有一根绳子，四根绳子的另一端等长度绑扎在一起后的结点再与吊绳连接，吊绳的另一端缠绕于一个转筒的一侧，吊绳的长度保证挂蓝能够沉没于桥下水中，但不能接触到水底；转筒固装于所述钢箱梁的顶板上，转筒之上安装有压紧装置及摩擦片，通过调节压紧装置来改变摩擦片对转筒的压紧力；所述挂蓝放置于钢箱梁底部的方形凹洞内，在方形凹洞底部的四个角上分别设置有一块水平托板，水平托板上设置有竖直挡板，竖直挡板通过限位弹簧与方形凹洞的底部侧板连接，竖直挡板通过限位弹簧的弹力与所述挂蓝底板的侧壁紧靠，挂蓝底板四个角通过圆形滚珠支撑于方形凹洞底部的四个水平托板上；水平托板尺寸及限位弹簧弹力的设计保证挂蓝处于方形凹洞中心并保持平衡，并且在风的直接作用下不产生足够滑落的侧移，但在钢箱梁发生一定的倾斜角度时滑落。

具体的，所述方形凹洞包括顶板和四周侧板，在顶板和四周侧板上开有用于吊绳上下滑动和挂蓝入洞安装存放的工作孔。

具体的，所述方形凹洞底部四个角的水平托板上设置有两块相互成直角的竖直挡板，两块竖直挡板通过限位弹簧连接到方形凹洞一角的两边侧板上，并与挂蓝底板一角的两边侧壁紧靠。

进一步，所述四根绳子绑扎在一起后的结点依次通过保险绳、弹簧与吊绳连接，保险绳的拉扯强度小于吊绳的强度。以保证其与船碰撞、缠绕时，保险绳被拉断，挂篮沉入水中，避免翻船。

本发明的工作原理及工作过程如下：

本发明耗能器主要由挂蓝、吊绳和转筒组成。挂蓝底部四角由水平托板支撑于钢箱梁底板上，为减小摩擦，在挂蓝与水平托板间设置圆形滚珠，保证挂蓝可在水平面内向任意方向滑动。在挂蓝与钢箱梁之间设置有限位弹簧，保证在钢箱梁发生小幅振动的正常情况下，挂蓝只能在平衡位置附近发生很小的振动，不至于掉落。转筒安装于钢箱梁顶板底部，其与挂蓝通过吊绳、弹簧、保险绳相连，在挂蓝从水平托板上掉落前，吊绳绕于转筒外壁。

当桥梁在风作用下发生扭转或弯曲振动时，导致钢箱梁发生转动，原处于水平状态的挂蓝发生倾斜，在重力作用下向下滑动，压缩限位弹簧，当钢箱梁的倾斜角度超过限值时，挂蓝压缩限位弹簧超过限值后从水平托板处掉向水中。

为防止挂蓝高速掉落发生意外，在转筒处安装摩擦片及压紧装置，使挂蓝缓慢下落并掉入水中。

挂蓝进入水体内，在重力作用下张紧吊绳，其耗能及将动能由钢箱梁传递至水体原理按钢箱梁振动一个周期分为三个阶段：

(1)当耗能器转筒位置的钢箱梁由处于最低位置并往上移动至平衡位置过程中，挂蓝在吊绳牵引下由下往上加速运动，此时挂蓝底板通水孔的盖板闭合，挂蓝和其内水体动能增加，并驱动挂蓝上方及下方部分水体流动，所有动能来源于吊绳驱动挂蓝所做的功。与此同时，挂蓝势能也增加，但由于在整个振动周期中，挂蓝势能的变化为零，因此不分析势能的变化。吊绳给挂蓝及水体做功的同时也给钢箱梁做负功，相当于钢箱梁的部分动能由吊绳传递给了水体和挂蓝。

(2)当耗能器转筒位置的钢箱梁由处于平衡位置并往上移动至最高位置过程中，挂蓝在吊绳牵引下由下往上减速运动，挂蓝和其内水体动能减小，但同样驱动挂蓝上方及下方部分水体流动，通过流体摩擦耗能；当挂蓝随钢箱梁上升的速度进一步减小后，部分流体在惯性作用下上升速度大于挂蓝，流体冲开挂蓝底板通水孔盖板，此时具有较大动能密度的水体离开挂蓝，周边水体补充流入，形成局部小循环，挂蓝内水体动能迅速流失；由于吊绳为柔性，挂蓝只能被钢箱梁拉动，而不能推动钢箱梁运动，因此，这过程中初始阶段挂蓝给钢箱梁做负功，减小钢箱梁动能，后期挂蓝内水体动能流入周围水体，其不给钢箱梁做功。

(3)当耗能器转筒位置的钢箱梁由处于最高位置并往下移动至最低位置过程中，挂蓝在重力作用下克服水体阻力下降，此时挂蓝底板通水孔的盖板被水体阻力冲开，其可减小水体阻力保证挂蓝与钢箱梁同时达到最低位置。在这过程中，挂蓝势能减小，部分势能被水体阻尼耗散，部分势能通过吊绳给钢箱梁做正功，被钢箱梁吸收。但由于在整个振动周期中，挂蓝势能的变化为零，可以不考虑挂蓝势能变化，因此，此过程中，水体同样在吸收钢箱梁的动能。

当风速减小后，桥梁停止发生大幅振动，可以人力或其它动力设施转动转筒、提升挂蓝，并通过钢箱梁底板所设置的操作孔，使挂蓝倾斜进入方形凹洞后安装就位。

吊绳下方所设置的弹簧，通过参数优化后可增大挂蓝在水中的行程，进一步提高耗能器的耗能效果；吊绳下方所设置的保险绳可保证挂蓝在遇到船只撞击、缠绕时被拉断，避免意外事故的发生。

本发明的有益效果及创新点如下：

(1)对于发生较大幅度的桥梁主梁(钢箱梁)，通过吊绳连接钢箱梁和挂蓝，驱动挂蓝及其内和周边小范围内水体在水中运动，实现将钢箱梁动能传递给水体；同时挂蓝的运动，与周边水体产生摩擦，通过摩擦同时消耗部分能力。

(2)通过弹性限位装置保持挂蓝在小扰动时的平衡。

(3)通过弹性限位装置、减小摩擦的圆形滚珠，并利用桥梁一定幅度振动的主梁倾斜角度，实现耗能器挂蓝的自动脱落，从而自动开启耗能器的工作；当耗能器完成工作后，耗能器能方便地重新归位，等待下一次工作的启动，最大限度减小对航道通航的影响。

(4)通过挂蓝底板通水孔及盖板的设计，下落时水力作用将盖板打开，减小流体对挂蓝阻力，保证挂蓝迅速下沉，与钢箱梁同时达到最低位置；在钢箱梁牵引挂蓝加速上升时，水力作用将盖板关闭，保证挂蓝内水体与挂蓝具有相同的速度，实现尽量多的动能从钢箱梁向水体的传递。

(5)吊绳弹簧的设计，可以实现挂蓝与钢箱梁的共振，增加耗能器的工作效率。

(6)吊绳保险绳的设计，避免意外事故的发生。

附图说明

图1是本发明实施例的图2的A-A剖视图。

图2是图1的B-B剖视图。

图3是图1的C处放大图。

图4是图1中挂蓝落入水中的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1、图2，本实施例包括利用桥梁结构上的箱体式的钢箱梁17，钢箱梁17的底部加工有一个方形凹洞18，方形凹洞18包括顶板和四周侧板；它还包括一个方形的挂蓝19，挂蓝19包括挂蓝底板5及固连于其上的四周侧壁8，挂蓝底板5上开有若干通水孔6，通水孔6之上铰接有盖板7，未工作时盖板7通过扭转弹簧(图中未画出)处于盖紧状态，扭转弹簧的预紧力小，保证盖板7下方水流能轻松冲开盖板7；同时参见图4，挂蓝19上部四个角上分别连接有一根绳子，四根绳子的另一端等长度绑扎在一起后的结点再依次与保险绳16、弹簧15、吊绳14连接，吊绳14的另一端缠绕于转筒3的一侧；保险绳16的拉扯强度小于吊绳14的强度，吊绳14的长度保证挂蓝19能够沉没于桥下水中，但不能接触到水底；转筒3固装于钢箱梁17的顶板4上，转筒3之上安装有压紧装置1及摩擦片2，通过调节压紧装置1来改变摩擦片2对转筒3的压紧力；平常，挂蓝19放置于钢箱梁17底部的方形凹洞18内，同时参见图3，在方形凹洞18底部的四个角上分别设置有一块水平托板13，水平托板13上设置有两块相互成直角的竖直挡板11，两块竖直挡板11通过限位弹簧12连接到方形凹洞18一角的两边侧板上，并与挂蓝底板5一角的两边侧壁紧靠；挂蓝底板5的四个角通过圆形滚珠10支撑于四个水平托板13上；水平托板13的尺寸及限位弹簧12的弹力的设计保证挂蓝19处于方形凹洞18的中心并保持平衡，并且在风的直接作用下不产生足够滑落的侧移，但在钢箱梁17发生一定的倾斜角度时滑落。在方形凹洞18的顶板和四周侧板上开有用于吊绳上下滑动和挂蓝入洞安装存放的工作孔(图中未画出)。图1中9表示钢箱梁17的底板。

与本发明实施例不同的可能的改造是：

(1)将耗能器安装于钢箱梁外侧，将转筒安装于悬索桥主缆，即采用不同的安装部位。

(2)在挂蓝部位安装叶片或风扇，既耗能，又将部分能量转化为电能或其它能量，驱动警示灯或声音报警。

(3)将挂蓝形式变化，如多层挂蓝增大耗能效率，流线型减小流水及风的水平作用力，在挂蓝外加防撞装置保证安全。

(4)吊绳上或钢箱梁底安装警示装置。

(5)在挂蓝与水平托板间采用其它减小摩擦装置，如：加万向轮、润滑油、磁悬浮等。

(6)将自开启改为手动、电动、遥控或其它能量输入方式。

(7)该耗能器同样适用于其它流体介质。

(8)通过增加远程观察和控制系统，可在船只经过时及时提升挂蓝，避免船只碰撞。

因此，以上所述仅为本发明的较佳或较简实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明构思和原理之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自开启速度型水力吸耗能器，其特征在于：它包括桥梁结构上的箱体式的钢箱梁，钢箱梁的底部加工有一个方形凹洞；它还包括一个方形的挂蓝，所述挂蓝包括挂蓝底板及固连于其上的四周侧壁，挂蓝底板上开有若干通水孔，通水孔之上铰接有盖板，未工作时盖板通过扭转弹簧处于盖紧状态，扭转弹簧的预紧力小，保证盖板下方水流能轻松冲开盖板；挂蓝上部四个角上分别连接有一根绳子，四根绳子的另一端等长度绑扎在一起后的结点再与吊绳连接，吊绳的另一端缠绕于一个转筒的一侧，吊绳的长度保证挂蓝能够沉没于桥下水中，但不能接触到水底；转筒固装于所述钢箱梁的顶板上，转筒之上安装有压紧装置及摩擦片，通过调节压紧装置来改变摩擦片对转筒的压紧力；所述挂蓝放置于钢箱梁底部的方形凹洞内，在方形凹洞底部的四个角上分别设置有一块水平托板，水平托板上设置有竖直挡板，竖直挡板通过限位弹簧与方形凹洞的底部侧板连接，竖直挡板通过限位弹簧的弹力与所述挂蓝底板的侧壁紧靠，挂蓝底板四个角通过圆形滚珠支撑于方形凹洞底部的四个水平托板上；水平托板尺寸及限位弹簧弹力的设计保证挂蓝处于方形凹洞中心并保持平衡，并且在风的直接作用下不产生足够滑落的侧移，但在钢箱梁发生一定的倾斜角度时滑落。

2.根据权利要求1所述自开启速度型水力吸耗能器，其特征在于：所述方形凹洞包括顶板和四周侧板，在顶板和四周侧板上开有用于吊绳上下滑动和挂蓝入洞安装存放的工作孔。

3.根据权利要求2所述自开启速度型水力吸耗能器，其特征在于：所述方形凹洞底部四个角的水平托板上设置有两块相互成直角的竖直挡板，两块竖直挡板通过限位弹簧连接到方形凹洞一角的两边侧板上，并与挂蓝底板一角的两边侧壁紧靠。

4.根据权利要求1所述自开启速度型水力吸耗能器，其特征在于：所述四根绳子绑扎在一起后的结点依次通过保险绳、弹簧与吊绳连接，保险绳的拉扯强度小于吊绳的强度。