CN106245515B - 质量移位式桥梁扭转振动减振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质量移位式桥梁扭转振动减振器。本发明主要包括水平安装于桥梁底板上的主导轨；主导轨两端对称活动搭接有左导轨和右导轨，左导轨和右导轨的外侧端分别固连有左挡板和右挡板，左导轨与左挡板、右导轨与右挡板连接成直角L形；左导轨和右导轨的中间底部分别通过左铰支座和右铰支座与桥梁底板铰接，左导轨和右导轨的外侧端底部与桥梁底板之间分别设有左弹簧和右弹簧，左弹簧和右弹簧外侧端的桥梁底板上还分别设有左立柱和右立柱；主导轨、左导轨和右导轨的上面设有相同形状的凹槽，凹槽内放置一重力球。本发明随着桥梁振动频率的降低，其对桥梁可提供更大力矩因而减振效果更好。

Description

质量移位式桥梁扭转振动减振器
技术领域
本发明属于桥梁减振技术领域，具体涉及一种质量移位式桥梁扭转振动减振器。
背景技术
随着桥梁跨度的增大，其基频越来越小。桥梁在大风的作用下，会发生大幅振动，危及桥梁安全，其中尤以桥梁扭转危害最大，曾有多座桥梁因扭转而塌毁。因为，在大风的作用下，桥梁发生危险的扭转振动即桥梁颤振时，根据桥梁颤振理论，当主梁(一般为钢箱梁)绕其形心发生逆时针扭转时，风对主梁就有一个逆时针扭矩的作用力(由主梁表面风压作用力向主梁形心简化得到)；当主梁绕其形心发生顺时针扭转时，风对主梁就有一个顺时针扭矩的作用力；主梁在发生扭转振动的过程中，风对主梁这样一个扭矩作用，使得主梁振动的振幅越来越大，最终可能导致桥梁倒塌。
现有桥梁减振技术常采用调频质量阻尼器(Tune mass damper，简称TMD)进行减振，依靠在桥梁内部设置质量块，并由弹簧和阻尼器支承质量块，形成一动力系统，即TMD，当其频率与桥梁振动的频率一致时，引发TMD大幅振动，TMD对桥梁的作用力中周期变化的动力与风对桥梁的作用的动力反相，达到减小桥梁振动的目的。TMD对桥梁的动力幅值为Aω2，其中A为质量块振幅(A受多种因素制约基本保持不变)，ω为振动频率。随着桥梁振动频率的减小，TMD对桥梁减振的效果显著下降。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种随着桥梁振动频率的降低，其对桥梁可提供更大力矩因而减振效果更好的质量移位式桥梁扭转振动减振器。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该质量移位式桥梁扭转振动减振器，它包括水平安装于桥梁底板上的主导轨；主导轨两端对称活动搭接有左导轨和右导轨，左导轨和右导轨的外侧端分别固连有左挡板和右挡板，左导轨与左挡板、右导轨与右挡板连接成直角L形；左导轨和右导轨的中间底部分别通过左铰支座和右铰支座与所述桥梁底板铰接，左导轨和右导轨的外侧端底部与所述桥梁底板之间分别设有左弹簧和右弹簧，左弹簧和右弹簧外侧端的所述桥梁底板上还分别设有左立柱和右立柱；所述主导轨、左导轨和右导轨的上面设有相同形状的凹槽，凹槽内放置一重力球；未工作时，所述重力球位于主导轨上，左导轨和右导轨分别在左弹簧和右弹簧的弹力作用下，对称倾斜于水平面并与主导轨两端活动搭接；工作时，当重力球滚动到左导轨外侧端部的左挡板处或右导轨外侧端部的右挡板处时，左导轨或右导轨向上翘起而脱离主导轨，此时，左导轨或右导轨平行于水平面，左挡板底部与左立柱顶面或右挡板底部与右立柱顶面正好相抵。
具体的，所述主导轨通过其底部左边的铰支座和其底部右边的可动铰支座安装于所述桥梁底板上。
为了缓解重力球滚动到左挡板或右挡板时对其内侧面的撞击力，所述左挡板和右挡板的内侧面分别设有左缓冲片和右缓冲片。
为了缓解左导轨或右导轨在重力球作用下向上翘起时，左挡板或右挡板底部对左立柱和右立柱顶部的撞击力，所述左立柱和右立柱的顶面分别设有左缓冲垫和右缓冲垫。
本发明的工作原理及工作过程如下：
本发明的减振器对称安装于钢箱梁底板上，跟随钢箱梁一起运动。由上述可知，本发明的减振器主要部件包括：简支的主导轨，可转动的左导轨、右导轨，重力球。假定主梁扭转角度较小，以主梁振动一个周期来描述减振器的工作原理。
当主梁由水平位置发生顺时针转动时，主导轨左端升高，右端降低，重力球向右端滚动。此时重力球对主梁有顺时针力矩M＝mgs，但由于其距主导轨中心点(与钢箱梁形心在同一竖直线上)距离s较小，重力球重力mg保持恒定，故其加大主梁转动作用，但力矩较小，并随着时间的增大而增大。
当主梁转动达到最大角度并开始逆时针转动时，主导轨仍然左端高，右端低，重力球继续向右端滚动。此时重力球对主梁依然是顺时针力矩，故其有阻碍主梁逆时针转动的作用，并且力矩较大，并随着时间的增大而增大。此时重力球的滚动速度继续增大，并冲上右导轨，当其通过右导轨的右铰支座时，导致右导轨顺时针转动，压缩右弹簧，右导轨的转动最后因右立柱的阻挡而停止。重力球也因右挡板和右缓冲片的阻挡而停止滚动，此时重力球对主梁顺时针作用的力矩最大，即对主梁此时逆时针转动的阻碍作用最强。
当主梁逆时针转动达到水平位置并继续转动时，此时右导轨和主导轨变为左端低，右端高，重力球开始向左端滚动。当右弹簧对右导轨作用的力矩大于重力球对右导轨作用的力矩时，右导轨逆时针转动，并与主导轨连接，使重力球从右导轨上快速滚下。此时重力球对主梁依然是顺时针力矩，故其有阻碍主梁逆时针转动作用，并且力矩较大，并随着时间的增大而减小。
当主梁逆时针转动从水平位置向最大转角转动的过程中，重力球从右导轨上快速滚下，首先通过主导轨与右导轨的连接处，并继续向左端滚动。此时重力球对主梁依然是顺时针力矩，故其有阻碍主梁逆时针转动作用，并随着时间的增大而减小。当重力球通过主导轨中点继续向左端滚动时，此时重力球对主梁是逆时针力矩，故其有促进主梁逆时针转动作用，但力矩小，其随着时间的增大而增大。
当主梁转动达到最大角度并开始顺时针转动时，主导轨仍然左端低，右端高，重力球继续向左端滚动。此时重力球对主梁依然是逆时针力矩，故其有阻碍主梁顺时针转动作用，并且力矩较大，并随着时间的增大而增大。此时重力球的滚动速度继续增大，并冲上左导轨，当其通过左导轨的左铰支座时，导致左导轨逆时针转动，压缩左弹簧，左导轨的转动最后因左立柱的阻挡而停止。重力球也因左挡板和左缓冲片的阻挡而停止滚动，此时重力球对主梁逆时针作用的力矩最大，即对主梁此时顺时针转动的阻碍作用最强。
当主梁顺时针转动达到水平位置时，重力球开始向右运动，其对主梁转动的影响与其从右向左运动的作用原理一致。
综上所述，本发明利用桥梁扭转振动本身的能量，驱动重力球在主梁内部横向移动，利用重力球的重力提供一阻碍桥梁振动的力矩，从而抑制了桥梁的扭转振动，提高了桥梁的安全性。
本发明的创新点主要体现如下：
(1)采用桥梁扭转振动本身的能量，驱动重力球在主梁内部横向移动，利用重力球的重力提供一阻碍桥梁振动的力矩，抑制桥梁扭转振动。
(2)重力球由主梁振动的能量驱动，其频率总与主梁振动一致，当主梁振动频率发生变化时，减振效果不受影响。
(3)现有的TMD减振耗能能力随结构振动频率的降低，减振耗能效果降低，而本发明减振器随桥梁振动频率的降低，重力球移动的距离加长，其为桥梁结构振动提供的阻碍力矩加大，因此，其减振效果随结构振动频率的降低而提高。
(4)简支梁设计的主导轨，在重力球重力作用下发生弯曲，保证在桥梁未发生扭转振动时，重力球静止于主导轨中央，其对主梁扭转为零。
(5)主导轨两端的左、右导轨倾斜于水平面安装，既可以将重力球的动能转化为势能，又可以将势能转化为动能，驱动重力球的快速运动，增大其运动距离，使得重力球对主梁扭转振动提供更大的阻碍力矩。
(6)采用圆形重力球减小摩擦，保证重力球的快速移动。
(7)凹槽导轨控制重力球的运动轨迹。
附图说明
图1是本发明实施例的立面结构示意图。
图2是图1中的A-A剖视图。
图3是本发明实施例工作时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
参见图1、图2，本实施例包括水平安装于桥梁底板6上的主导轨11，主导轨11通过其底部左边的铰支座9和其底部右边的可动铰支座12安装于桥梁底板6上(铰支座和可动铰支座为本领域常用连接部件，在此不再详述其结构)。主导轨11的两端对称活动搭接有左导轨8和右导轨13；左导轨8的外侧左端固连有左挡板1，右导轨13的外侧右端固连有右挡板19，从图1中可见，左导轨8与左挡板1、右导轨13与右挡板19连接成直角L形；左导轨8的右端部和右导轨13的左端部微微向上翘起并分别与主导轨11的左、右端部形成止口搭接，且左导轨8右端和右导轨13左端只能相对于主导轨11作向上的脱离运动。左挡板1和右挡板19的内侧面分别设有左缓冲片2和右缓冲片18。左导轨8和右导轨13的中间底部分别通过左铰支座7和右铰支座14与桥梁底板6铰接，左导轨8和右导轨13的外侧端底部与桥梁底板6之间分别设有左弹簧3和右弹簧17，左弹簧3和右弹簧17外侧端的桥梁底板6上还分别设有左立柱5和右立柱15；左立柱5和右立柱15的顶面分别设有左缓冲垫4和右缓冲垫16。从图2中可见，主导轨11的上面设有凹槽，重力球10放置于凹槽内；并且，左导轨8和右导轨13的上面设有与主导轨11上面相同形状的凹槽。未工作时，重力球10位于主导轨11上，左导轨8和右导轨13分别在左弹簧3和右弹簧17的弹力作用下，对称倾斜于水平面并与主导轨11两端活动搭接，如图1所示。工作时，当重力球10滚动到左导轨8外侧左端部的左挡板1处或右导轨13外侧右端部的右挡板19处时，左导轨8或右导轨13向上翘起而脱离主导轨11，此时，左导轨8或右导轨13平行于水平面，左挡板1底部与左立柱5顶面或右挡板19底部与右立柱15顶面正好相抵，如图3所示。
本发明上述实施例还有可替代的方案，比如，将重力球改为轮；将导轨改为气垫方式减小摩擦后，将球改为滑块等。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)

1.一种质量移位式桥梁扭转振动减振器，其特征在于：它包括水平安装于桥梁底板上的主导轨；主导轨两端对称活动搭接有左导轨和右导轨，左导轨和右导轨的外侧端分别固连有左挡板和右挡板，左导轨与左挡板、右导轨与右挡板连接成直角L形；左导轨和右导轨的中间底部分别通过左铰支座和右铰支座与所述桥梁底板铰接，左导轨和右导轨的外侧端底部与所述桥梁底板之间分别设有左弹簧和右弹簧，左弹簧和右弹簧外侧端的所述桥梁底板上还分别设有左立柱和右立柱；所述主导轨、左导轨和右导轨的上面设有相同形状的凹槽，凹槽内放置一重力球；未工作时，所述重力球位于主导轨上，左导轨和右导轨分别在左弹簧和右弹簧的弹力作用下，对称倾斜于水平面并与主导轨两端活动搭接；工作时，当重力球滚动到左导轨外侧端部的左挡板处或右导轨外侧端部的右挡板处时，左导轨或右导轨向上翘起而脱离主导轨，此时，左导轨或右导轨平行于水平面，左挡板底部与左立柱顶面或右挡板底部与右立柱顶面正好相抵。
2.根据权利要求1所述的质量移位式桥梁扭转振动减振器，其特征在于：所述主导轨通过其底部左边的铰支座和其底部右边的可动铰支座安装于所述桥梁底板上。
3.根据权利要求1所述的质量移位式桥梁扭转振动减振器，其特征在于：所述左挡板和右挡板的内侧面分别设有左缓冲片和右缓冲片。
4.根据权利要求1所述的质量移位式桥梁扭转振动减振器，其特征在于：所述左立柱和右立柱的顶面分别设有左缓冲垫和右缓冲垫。
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