CN106012835A - 一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置。它包括用于裹住吊杆或拉索的垫圈，所述垫圈外侧设有环绕吊杆或拉索的钢丝绳阻尼器，所述钢丝绳阻尼器的一端通过连接筒与垫圈固定连接，钢丝绳阻尼器的另一端通过支架与梁体固定连接。本发明在拉索或吊杆的周围设置环状的钢丝绳阻尼器，钢丝绳阻尼器一端随拉索或吊杆的振动而振动，另一端固定在梁体上，不仅能抑制吊索结构面内振动及面外振动，还能抑制吊索结构轴向振动；抑制振动的频带宽、能力强。钢丝绳阻尼器耐高、低温环境，不需要外加能源，也不存在“漏油”问题和老化问题，使用寿命长；安装及维护方便。

Description

一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置

技术领域

本发明属于桥梁拉索或吊杆减振、抗震技术领域，具体涉及一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置。

背景技术

随着桥梁事业的发展，国内外修建的斜拉桥、悬索桥、拱桥等大跨桥式结构日益增多，这些结构所采用的索结构(拉索或吊杆)体系在风和环境因数激励下产生振动，极易产生疲劳。国内外已有运行不到十年的斜拉桥由于断丝过多甚至断索而迫不得已换索。众所周知：拉索或吊杆是桥梁极其重要的承重构件，因此不将拉索的风振控制在安全范围内，不仅危及拉索乃至整座桥梁的安全，而且影响其使用寿命，由此造成的社会效益与经济效益的损失将是巨大的。现有控制拉索或吊杆减振的方法如下：

1)气动力减振措施：通过改变拉索或吊杆的截面形状，如在拉锁上增设肋条或设置凹坑来改变导流达到减振目的。

2)二阶索方法：用不锈钢丝将各主要拉索或吊杆相互连接，以提高拉索体系或吊杆体系的整体刚度，增加拉索的模态质量和阻尼，使拉索振动时产生各模态间的相互耦合。

3)设置阻尼橡胶减振圈：利用橡胶和拉索之间作用力传递，使橡胶圈变形产生粘滞阻尼耗能，其特点是阻尼橡胶减振圈(简称减振圈)可以布置在拉索的导筒内，具有较好的景观效果。

4)油压阻尼器：欧美国家在拉索减振方法上大多采用油压阻尼器。但是油压阻尼器只能提供单向阻尼力，如果用油压阻尼器同时抑制拉索的面内和面外振动，则每根拉索需要装上2个并成正交布置。

5)粘性剪切型阻尼器：粘性剪切型阻尼器(VSD)是近几年出现的一种新型减振装置，其特点是利用阻尼器中切片的运动使粘性体产生剪切变形从而将振动能量传递给粘性体再转变成热能耗散。粘性剪切型阻尼器针对油压阻尼器而言，对0.5mm级的微小振动比较敏感，一个VSD即可抑制拉索的面内和面外两个方向的振动，无机械接触点，所以安装、维修都比较简单。

6)杠杆质量阻尼器：当斜拉索发生振动时，连接杆将斜拉索索夹处的运动传至杠杆，引起杠杆及质量块上下运动，质量块的运动产生惯性力，与杠杆相连的阻尼器部件运动产生弹性力与阻尼力，这些力经杠杆放大后再通过连接杆传递到斜拉索，从而抑制斜拉索的振动。

上述各减振方法均存在缺陷：

气动力减振措施中的各种方案的开发和构造细节都需要实验验证其减振效果，且要注意不能增加拉索断面的阻力系数，并且避免其它的不稳定振动，目前还无法用计算流体力学来分析。因此对气动力减振措施的作用机理也就无法进行理论分析。

尽管二阶索的减振原理十分浅显，实践中也掌握了一些经验，然而在实际工程中的应用并不是很普遍。因为没有比较完善的设计理论，只能依靠经验，再加上都是高空作业，其预紧力也难以掌握。因此二阶索拉断、索夹断裂时有发生。并且二阶索并不能完全消除并列索与空间索的面外振动，更主要的是对于长大斜拉桥往往需要多道二阶索，而常常被贬之为“蜘蛛网”，损害了桥梁的景观，所以往往不能被桥梁设计师所接受。

橡胶圈结构简单易于安装，但橡胶圈提供的阻尼由于太接近锚固端，因而作用十分有限，只能对短索产生一些减振效果，如果施工过程中拉索较大地偏离导筒中心时，往往运行不到一年橡胶圈就会开裂破碎。

油压阻尼器安装精度要求较严，作为阻尼介质的硅油温度效应明显，由于频繁动作，容易发生漏油和渗油现象，因此维修费用相对较高。然而油压阻尼器的主要问题是对小振幅振动不敏感，而长拉索由于存在“模态跃迁”，其平面内一阶正对称振动在靠近锚固端处振动幅度将变得很小，从而使油压阻尼器平面内一阶模态实际测得的阻尼值比设计阻尼值低得多。

粘性剪切型阻尼器在使用过程中其阻尼力易受温度变化的影响，且工作溶液容易渗漏。

杠杆质量阻尼器是近年来提出的一种抑制拉索振动的新技术，其装置包含两部分，一是阻尼器部分，另一是杠杆放大部分，该阻尼器抑制的不是拉索振动的原始信号，而是经过杠杆放大了的振动信号。对拉索面外振动的减振效果不理想。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、易实现、减振效果好的基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置。

本发明采用的技术方案是：一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，包括用于裹住吊杆或拉索的垫圈，所述垫圈外侧设有环绕吊杆或拉索的钢丝绳阻尼器，所述钢丝绳阻尼器的一端通过连接筒与垫圈固定连接，钢丝绳阻尼器的另一端通过支架与梁体固定连接

进一步地，所述钢丝绳阻尼器包括钢丝绳、自由端绳夹和固定端绳夹，所述钢丝绳固定在所述自由端绳夹与固定端绳夹之间，所述自由端绳夹与连接筒固定连接，所述固定端绳夹与支架固定连接。

进一步地，所述钢丝绳为由多个弧形段或由直线段与多个弧形段拼接成的环状结构。

进一步地，所述自由端绳夹和固定端绳夹均为由多个弧形段或由直线段与多个弧形段拼接成的环状结构。

进一步地，所述自由端绳夹与固定端绳夹结构相同，所述自有端绳夹的每一节段均包括两块钢板，所述两块钢板通过螺栓连接，所述两块钢板相对的两个面上分别设有多个可容纳钢丝绳穿过的半圆孔，所述两块钢板上对应位置的半圆孔扣合形成固定钢丝绳的绳夹孔。

进一步地，所述垫圈和连接筒均为由多节段拼接成的环状结构，所述连接筒通过钢套箍套在所述垫圈外侧。

进一步地，所述由多节段拼接成环状结构的连接筒与环状结构的自由端绳夹之间错缝布置连接。

进一步地，所述支架包括环状的底座固定板和多个支腿，所述底座固定板一侧与固定端绳夹固定连接，底座固定板另一侧沿圆周间隔设有多个支架连接板，所述多个支腿的一端分别与多个支架连接板固定连接，多个支腿的另一端均固定于梁体上。

进一步地，所述底座固定板为由多节段拼接成的环状结构，底座固定板与环状结构的固定端绳夹之间错缝布置连接。

更进一步地，所述钢丝绳阻尼器的内侧和外侧均设有防尘罩，所述防尘罩两端分别与自由端绳夹和固定端绳夹固定连接。

本发明在拉索或吊杆的周围设置环状的钢丝绳阻尼器，钢丝绳阻尼器一端随拉索或吊杆的振动而振动，另一端固定在梁体上，不仅能抑制吊索结构面内振动及面外振动，还能抑制吊索结构轴向振动，抑制振动的频带宽、能力强；钢丝绳阻尼器耐高、低温环境，不需要外加能源，也不存在“漏油”问题和老化问题，使用寿命长；安装及维护方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明垫圈的示意图。

图3为本发明钢套箍的示意图。

图4为本发明自由端绳夹与连接筒的连接示意图。

图5为图4部分俯视示意图。

图6为本发明钢丝绳阻尼器的示意图。

图7为本发明钢丝绳阻尼器俯视图。

图8为本发明自由端绳夹的局部示意图。

图9为本发明固定端绳夹与底座连接板的连接示意图。

图10为本发明的另一种布置方式示意图。

图11为本发明的又一种布置方式示意图。

图12为图11中钢丝绳阻尼器的俯视图。

图13为本发明应用到双吊杆的示意图。

图14为本发明应用到双吊杆时钢丝绳的布置示意图。

图中：1-垫圈；1.1-弧形段；2-连接筒；2.1-套筒；2.2-安装板；3-钢套箍；4-钢丝绳阻尼器；4.1-钢丝绳；4.2-自由端绳夹；4.3-固定端绳夹；4.4-钢板；4.5-绳夹孔；4.6-弧形段；4.7-直线段；4.8-钢丝绳圈；5-防尘罩；6-支架；6.1-底座固定板；6.2-支架连接板；6.3-支腿；6.4-地脚连接板；7-梁体；8-吊杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明包括用于裹住吊杆8或拉索的垫圈1，所述垫圈1外侧设有环绕吊杆或拉索的环状的钢丝绳阻尼器4，所述钢丝绳阻尼器4的一端通过连接筒2与垫圈1固定连接，钢丝绳阻尼器4的另一端通过支架6与梁体7固定连接。

上述方案中，如图2、图5所示，垫圈1和连接筒2均为由多节段拼接成的环状结构，所述连接筒2通过如图3所示的钢套箍3套在所述垫圈1外侧，即连接筒套在垫圈外侧，钢套箍套在连接筒外侧，将垫圈1和连接筒2固定在吊杆上。垫圈1由高分子聚合物材料制成，握裹住吊杆，钢丝绳阻尼器4的一端通过与连接筒2固定连接而间接连接吊杆。

上述方案中，如图6所示，钢丝绳阻尼器4包括钢丝绳4.1、自由端绳夹4.2和固定端绳夹4.3，钢丝绳为由多根钢丝绳股绕制而成的环状螺旋形结构，所述钢丝绳4.1固定在所述自由端绳夹4.2与固定端绳夹4.3之间，所述自由端绳夹4.2与连接筒2固定连接，如图4、图5所示，所述固定端绳夹4.3与支架6的底座固定板6.1固定连接，如图9所示。在荷载作用下，垫圈1、连接筒2和自由端绳夹4.2均随吊杆或拉索的振动而振动，因而称为自由端；固定端绳夹4.3固定在梁体7上，不随吊杆的振动而振动，因而称为固定端。拉索或吊杆振动时，通过钢丝绳阻尼器中钢丝绳的变形产生相对运动，从而牵动钢丝绳中钢丝与钢丝之间产生摩擦运动，为吊杆或拉索的振动提供阻尼，达到减振目的。

上述方案中，为安装和维护方便，钢丝绳阻尼器中的各部件在环向平面内均分节段组成。钢丝绳4.1可以为由多节段拼接成的环状结构。由多节段拼接成环状结构的钢丝绳由多个弧形段组成或由直线段与多个弧形段组成。当仅为单根拉索或吊杆减振时，钢丝绳由多个弧形段组成形成圆环状的结构，如图7所示。当工程上，两根或多根吊杆8并列使用时相邻吊杆之间间距较小，如图13所示，此时钢丝绳可以由直线段4.7与多个弧形段4.6组成不规则环状结构，相邻的两个钢丝绳阻尼器4共用直线段4.7，如图14所示，简化布置结构，安装维护更方便。自由端绳夹和固定端绳夹也均为由多节段拼接成的环状结构。当应用到单根吊杆时，自由端绳夹和固定端绳夹与钢丝绳配合也为圆环状结构；当两根或多根吊杆配合使用时，自由端绳夹和固定端绳夹中，固定弧形段钢丝绳的部分为弧形，固定直线段钢丝绳的部分为直线型。

由多节段拼接成的环状结构的连接筒2与由多节段拼接成的环状结构的自由端绳夹4.2之间错缝布置连接。连接筒2由两节段构成，钢丝绳阻尼器4由四节段构成，图5中显示了一半的连接筒2和自由端绳夹4.2，通过错缝布置，用螺栓可在平面内连成一个整环构造。

自由端绳夹4.2与固定端绳夹4.3结构相同，自由端绳夹4.2的每一节段均包括两块钢板4.4(可以是弧形或直线型)，所述两块钢板4.4通过螺栓连接，所述两块钢板4.4相对的两个面上间隔分别设有可容纳钢丝绳穿过的半圆孔，所述两块钢板上对应位置的半圆孔扣合形成固定钢丝绳的绳夹孔4.5，如图8所示。

上述方案中，根据钢丝绳阻尼器4的布置方式的不同，连接筒2的结构形式可以变换。如图1所示，当钢丝绳阻尼器4中的自由端绳夹4.2和固定端绳夹4.3竖直布置时，连接筒2包括圆柱形的套筒2.1和圆环形的安装板2.2，所述套筒2.1套在所述垫圈1外侧，所述套筒2.1一端与安装板2.2的内圆边缘垂直固定连接，所述安装板2.2与自由端绳夹4.2固定连接。如图11所示，当钢丝绳阻尼器4中的自由端绳夹4.2和固定端绳夹4.3竖直环向布置时，连接筒2仅仅只是圆柱形的套筒，自由端绳夹与套筒外壁固定连接，此时钢丝绳阻尼器中的钢丝绳不是螺旋状的，而是由单个单个的钢丝绳环拼装成的环状结构，如图12所示，这样方便自由端绳夹和固定端绳夹上的绳夹孔的加工。

上述方案中，支架6包括环形的底座固定板6.1和多个支腿6.3，所述底座固定板6.1一侧与固定端绳夹4.3固定连接，底座固定板6.1另一侧沿圆周间隔设有多个支架连接板6.2，所述多个支腿6.3的一端分别与多个支架连接板6.2固定连接，多个支腿6.3的另一端均通过地脚连接板6.4固定于梁体7上。底座固定板6.1也是由多节段组成，钢丝绳阻尼器4中固定端绳夹4.3由四节段构成，底座固定板6.1由两部分构成，图9中显示了一半的固定端绳夹4.3和底座固定板6.1，通过错缝布置，用螺栓可在平面内连成一个整环构造。

为避免雨水、空气或灰尘对钢丝绳阻尼器的污染和腐蚀，延长钢丝绳阻尼器的使用寿命，在环状钢丝绳阻尼器的内侧和外侧均设置防尘罩5，防尘罩5两端分别与自由端绳夹4.2和固定端绳夹4.3固定连接；如图1、图10所示；防尘罩5两端也可以分别与连接筒2和底座固定板6.1固定连接，如图11所示，将钢丝绳阻尼器罩住。

在风、雨荷载作用下，吊杆或拉索产生面内和面外的振动，钢丝绳阻尼器的自由端绳夹和固定端绳夹就产生以剪切变形为主的相对运动，从而牵动钢丝绳股的钢丝与钢丝之间产生摩擦运动，为吊杆或拉索的振动提供阻尼。在列车或汽车荷载作用下，吊杆或拉索的车致振动有时变得不可忽略，此时，钢丝绳阻尼器的自由端绳夹和固定端绳夹就会产生以轴向变形为主的相对运动，为吊杆或拉索的振动提供阻尼。

本发明索结构抗振保护装置抑制拉索振动的布置形式可以有多种，当拉索或吊杆竖直布置时，索结构抗振保护装置的布置形式如图1或图13所示，钢丝绳阻尼器中的自由端绳夹4.2和固定端绳夹4.3水平环向布置。另外，索结构抗振保护装置的布置还可以如图11所示，此时自由端绳夹4.2和固定端绳夹4.3竖向环向布置。当拉索或吊杆倾斜布置时，如图10所示，钢丝绳阻尼器跟随倾斜布置，支架中的支腿避开斜拉索或吊杆的空间位置，但工作原理都不变。

用环向钢丝绳阻尼器控制吊索结构的振动，当钢丝绳阻尼器4中的自由端绳夹4.2和固定端绳夹4.3水平环向布置时，其利用的是环向钢丝绳阻尼器4的剪切变形抑制吊索面内面外的振动，通过轴向拉压变形抑制吊索轴向振动。当钢丝绳阻尼器4中的自由端绳夹4.2和固定端绳夹4.3竖直环向布置时，其主要利用的是环向钢丝绳阻尼器绳圈的拉压扭转变形抑制吊索面内面外的振动，通过环向钢丝绳阻尼器绳圈的剪切变形抑制吊索轴向振动。根据拉索或吊杆的布置形式或受力情况，可以选择不同的阻尼器布置方式。

本发明的安装过程如下：

工厂安装：在工厂预制垫圈1、连接筒2、钢套箍3、钢丝绳阻尼器4、支架6等。预制环向钢丝绳阻尼器4的过程为：在胎架上缠绕钢丝绳圈；退出胎架；将钢丝绳4.1对准绳夹孔4.5，安装自由端绳夹4.2的内外侧钢板，用螺栓固定；安装固定端绳夹4.3的内外侧钢板，用螺栓固定。

现场安装：1)用螺栓连接连接筒2及钢丝绳阻尼器4的自由端绳夹钢板；2)安装垫圈1；3)安装连接筒2，用钢套箍3暂时固定；4)连接支架6与钢丝绳阻尼器4的固定端绳夹的外侧钢板，用螺栓暂时固定；5)固定支架在梁体上；6)调整各紧固螺栓，装置工作可靠。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属的技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：包括用于裹住吊杆或拉索的垫圈(1)，所述垫圈(1)外侧设有环绕吊杆或拉索的环状的钢丝绳阻尼器(4)，所述钢丝绳阻尼器(4)的一端通过连接筒(2)与垫圈(1)固定连接，钢丝绳阻尼器(4)的另一端通过支架(6)与梁体(7)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述钢丝绳阻尼器(4)包括钢丝绳(4.1)、自由端绳夹(4.2)和固定端绳夹(4.3)，所述钢丝绳(4.1)固定在所述自由端绳夹(4.2)与固定端绳夹(4.3)之间，所述自由端绳夹(4.2)与连接筒(2)固定连接，所述固定端绳夹(4.3)与支架(6)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述钢丝绳(4.1)为由多个弧形段或由直线段与多个弧形段拼接成的环状结构。

4.根据权利要求2所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述自由端绳夹(4.2)和固定端绳夹(4.3)均为由多个弧形段或由直线段与多个弧形段拼接成的环状结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述自由端绳夹(4.2)与固定端绳夹(4.3)结构相同，所述自有端绳夹(4.2)的每一节段均包括两块钢板(4.4)，所述两块钢板(4.4)通过螺栓连接，所述两块钢板(4.4)相对的两个面上分别设有多个可容纳钢丝绳穿过的半圆孔，所述两块钢板(4.4)上对应位置的半圆孔扣合形成固定钢丝绳的绳夹孔(4.5)。

6.根据权利要求4所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述垫圈(1)和连接筒(2)均为由多节段拼接成的环状结构，所述连接筒(2)通过钢套箍(3)套在所述垫圈(1)外侧。

7.根据权利要求6所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述由多节段拼接成环状结构的连接筒(2)与环 状结构的自由端绳夹(4.2)之间错缝布置连接。

8.根据权利要求4所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述支架(6)包括环状的底座固定板(6.1)和多个支腿(6.3)，所述底座固定板(6.1)一侧与固定端绳夹(4.3)固定连接，底座固定板(6.1)另一侧沿圆周间隔设有多个支架连接板(6.2)，所述多个支腿(6.3)的一端分别与多个支架连接板(6.2)固定连接，多个支腿(6.3)的另一端均固定于梁体(7)上。

9.根据权利要求8所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述底座固定板(6.1)为由多节段拼接成的环状结构，底座固定板(6.1)与环状结构的固定端绳夹(4.3)之间错缝布置连接。

10.根据权利要求2所述的一种基于环向钢丝绳的索结构抗振保护装置，其特征在于：所述钢丝绳阻尼器(4)的内侧和外侧均设有防尘罩(5)，所述防尘罩(5)两端分别与自由端绳夹(4.2)和固定端绳夹(4.3)固定连接。