CN107657126B - 一种控制大跨桥梁长吊杆振动的环形圆柱体调谐液体阻尼器及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制大跨桥梁长吊杆振动的环形圆柱体调谐液体阻尼器及设计方法，属于工程结构振动控制技术领域。在待控制吊杆中点处安装箱体支架，然后将两部分分体箱体拼接安装在箱体支架上；按照设定高度在阻尼器箱体中加入阻尼液体，封闭上方顶盖防止液体溅出或挥发。箱体内液体晃动耗能同时液体晃动对桶壁施加侧向力，实现对吊杆动力响应的控制。专利中给出了环形圆柱体调谐液体阻尼器具体参数的计算方法，该阻尼器具有减振效果好、安装和维修成本低、维修方便、容易调谐等优点，对延长吊杆的使用寿命和保障其安全服役具有积极意义。
Description
技术领域
本发明属于工程结构振动控制技术领域，具体为基于调谐液体阻尼器的结构被动控制领域，具体的应用是实现大跨桥梁如悬索桥或拱桥吊杆的减振。
背景技术
近年来，我国交通工程建设迅猛发展，作为其重要组成部分的桥梁建设也得到了快速发展，一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大和科技含量高的大跨径桥梁相继建成，标志着我国的桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。大跨桥梁在交通路网中地位关键、建设费用高、设计服役时间普遍较长，加之其服役环境普遍较为恶劣，故而此类结构的安全服役是设计及使用过程中首要考虑的问题和挑战。吊杆作为悬索桥和拱桥的主要传力构件，其安全服役之于桥梁的整体结构安全十分关键。由于直接外露受到恶劣的外界环境影响，并且始终处于高应力状态，吊杆是大跨悬索桥和拱桥中最易损坏的构件之一；高应力作用下的持续反复振动是导致吊杆疲劳损伤的重要来源之一，极端恶劣环境下吊杆的大幅振动也会影响桥梁结构及其行车安全，亟待采取措施控制和减小吊杆的振动，这对吊杆的安全服役及延长其使用寿命具有重要意义。
本发明提出了一种控制大跨桥梁长吊杆振动的环形圆柱体调谐液体阻尼器，它是一种结构被动控制装置，采用液体质量调谐，利用储液容器内液体的晃动来耗散能量，从而抑制受控吊杆水平振动的调谐式阻尼器。在实际工程中，调谐液体阻尼器多用于消除高耸建筑物的风致振动，具有初始成本低、维修费用低和容易调谐等优点。本发明提出的环形圆柱体调谐液体阻尼器在小振幅时对任意方向均有良好的减振效果，因此可用于吊杆的减振，对吊杆的安全服役及使用寿命延长具有积极作用。
发明内容
本发明提供了一种控制大跨桥梁长吊杆振动的环形圆柱体调谐液体阻尼器，该阻尼器装置可在环境激励如风荷载及行车荷载的作用下在一定程度上减小桥梁吊杆的动力响应。结合桥梁长吊杆的外观特点，本发明采用在桥梁吊杆中点位置安装环形圆柱体调谐液体阻尼器的方法实现吊杆减振的目的。吊杆侧向振动一阶振型位移最大值点位于吊杆中点处，因此将阻尼器放置于该位置以最大限度地控制其动力响应。
本发明的技术方案：
一种控制大跨桥梁长吊杆振动的环形圆柱体调谐液体阻尼器，如图1所示，所述的环形圆柱体调谐液体阻尼器包括分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体3、箱体顶盖2、箱体支架5、阻尼液体4；其中箱体支架5由两个相同分体对扣拼接而成，内部加装防滑垫片后两侧用螺栓固定于桥梁吊杆1的中点处；分体式环形圆柱体调谐阻尼器箱体3安装在箱体支架5的上部，其安装方式与箱体支架5的安装方式类似，由两个部分箱体对扣拼接而成，于拼合位置设置防水橡胶垫圈或防水胶带防止箱体内液体渗出，分体式环形圆柱体调谐阻尼器箱体3的两个部分箱体的边缘处预留螺栓孔6，二者通过螺栓连接为一体；分体式环形圆柱体调谐阻尼器箱体3内部标注有预先按照设计参数确定的液体高度线，按照液体高度线位置添加阻尼液体4；箱体顶盖2在分体式环形圆柱体调谐阻尼器箱体3的顶部，箱体顶盖2亦为两部分拼接而成，用防水胶封住连接处，保证箱体内液体不会溅出或挥发。
一种控制大跨桥梁长吊杆振动的环形圆柱体调谐液体阻尼器的设计方法，步骤如下：
步骤一，现场测试或查阅设计数据获得待控制桥梁吊杆1的基本数据：吊杆的直径、长度、密度、弹性模量和索力，进而获得桥梁吊杆1的一阶自振频率；
步骤二，确定待设计的环形圆柱体调谐液体阻尼器的已知基本参数：阻尼器的设计基频、分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体3内径、阻尼液体4的密度、阻尼液体4与桥梁吊杆1的质量比；其中，分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体3的内径需考虑桥梁吊杆1与阻尼器之间连接构件的尺寸确定，阻尼液体4与桥梁吊杆1的质量比不超过5％，根据实际待控制桥梁吊杆1的需求确定；
步骤三，将阻尼器的设计基频取为步骤一获得的桥梁吊杆1的一阶自振频率，根据步骤二获得的环形圆柱体调谐液体阻尼器的已知基本参数，根据环形圆柱体调谐液体阻尼器液体晃动一阶频率计算公式进行计算，得到待设计的环形圆柱体调谐液体阻尼器的外径尺寸及阻尼液体的液面高度值；
步骤四，根据步骤三中得出的环形圆柱体调谐液体阻尼器的基本参数定制加工环形圆柱体调谐液体阻尼器，并加工箱体支架5；
步骤五，将箱体支架5固定于待控制桥梁吊杆1的中点位置，箱体支架5用于支撑其上方的环形圆柱体调谐液体阻尼器并防止其脱落；
步骤六，将两部分分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体3在箱体支架5上拼接，并在箱体支架5处以及内壁与桥梁吊杆1连接处固定；依据设计的阻尼液体高度标准线加入阻尼液体4，安装箱体顶盖2。
本发明的有益效果：环形圆柱体调谐液体阻尼器安装在大跨桥梁长吊杆中点可以有效减小该吊杆的振动响应幅值，有效提高其抗疲劳性能，进而有效延长其使用寿命，更好地保障吊杆的安全服役；并且该发明具有实施简单、造价低廉、维修方便等优点。
附图说明
图1是发明的大跨桥梁吊杆环形圆柱体调谐液体阻尼器的示意图。
图2是阻尼器箱体的两个分体之一示意图。
图3是阻尼器箱体底部支架示意图。
图4(a)是无环形圆柱体调谐液体阻尼器时某吊杆中点位移时程曲线模拟结果。
图4(b)是有环形圆柱体调谐液体阻尼器时某吊杆中点位移时程曲线模拟结果。
图中：1桥梁吊杆；2箱体顶盖；3分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体；4阻尼液体；5箱体支架；6螺栓孔。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
以悬索桥中一根具体的吊杆为例，对本发明的阻尼器尺寸参数设计方法与安装过程进行详细说明，并结合数值模拟结果说明本发明用于吊杆减振的效果。
选取的某悬索桥吊杆长60.55m，吊杆横截面积为2.81×10-3m2，吊杆的半径约为0.030m，通过有限元建模并分析得到吊杆的一阶自振频率为1.3568Hz。根据本发明提出的步骤对环形圆柱体调谐液体阻尼器的尺寸进行设计，阻尼液体与所控制吊杆的质量比设为5％，阻尼器内部液体水的阻尼比设为0.02，环形圆柱体阻尼器内径设为0.070m；按照如下两个公式计算环形圆柱体调谐液体阻尼器的外径和水面高度，式(1)为环形圆柱体水箱晃动一阶频率公式，式(2)为一阶贝塞尔方程，其中环形圆柱体调谐液体阻尼器晃动一阶频率fL取吊杆的一阶频率即1.3568Hz，则求解式(1)、(2)即可得到环形圆柱体调谐液体阻尼器的外半径a和水面高度h：
J’1(σ1)Y1’(kσ1)-J’1(kσ1)Y1’(σ1)＝0 (2)
其中fL为环形圆柱体水箱晃动一阶频率(Hz)；g为重力加速度；a为环形圆柱体调谐液体阻尼器的外半径；σ1为公式(2)一阶贝塞尔公式的解；h为阻尼器水箱内水的静止高度；J1(σ1)为第一类一阶贝塞尔函数；Y1(σ1)为第二类一阶贝塞尔函数；k为圆环截面内外径的比值。经计算，得到环形圆柱体调谐液体阻尼器的外径(2a)为0.448m、水面高度h为0.434m，则该环形圆柱体调谐液体阻尼器的所有参数均已得到。
为检验该阻尼器的减振效果，建立吊杆的有限元模型，利用瞬态分析的方法分别得出该吊杆在安装该环形圆柱体调谐液体阻尼器前后的动力响应，其中吊杆中点位置安装阻尼器前后的位移动力响应结果如图4所示。从图中可以直观看出，吊杆的位移响应有所减小。
表1为相同的激励下有无环形圆柱体调谐液体阻尼器时某吊杆中点的响应对比，且表1的结果是多组计算结果的均值，从表中可以看出，在本例中加装发明的阻尼器后：吊杆中点的位移峰值较安装阻尼器之前降低19.54％，位移方差较安装阻尼器之前降低42.13％；速度峰值较安装阻尼器之前降低14.94％，速度方差较安装阻尼器之前降低33.25％。可以看出，在相同的外部激励下，发明的环形圆柱体调谐液体阻尼器可以有效减小吊杆的振动响应，具有良好的减振效果。
表1.有无环形圆柱体调谐液体阻尼器时某吊杆中点响应对比
Claims (1)
1.一种控制大跨桥梁长吊杆振动的环形圆柱体调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，所述的环形圆柱体调谐液体阻尼器包括分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体(3)、箱体顶盖(2)、箱体支架(5)、阻尼液体(4)；其中箱体支架(5)由两个相同分体对扣拼接而成，内部加装防滑垫片后两侧用螺栓固定于桥梁吊杆(1)的中点处；分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体(3)安装在箱体支架(5)的上部，由两个部分箱体对扣拼接而成，于拼合位置设置防水橡胶垫圈或防水胶带防止箱体内液体渗出，分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体(3)的两个部分箱体的边缘处预留螺栓孔(6)，二者通过螺栓连接为一体；分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体(3)内部标注有预先按照设计参数确定的液体高度线，按照液体高度线位置添加阻尼液体(4)；箱体顶盖(2)在分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体(3)的顶部，箱体顶盖(2)亦为两部分拼接而成，用防水胶封住连接处，保证箱体内液体不会溅出或挥发；
所述的设计方法，步骤如下：
步骤一，现场测试或查阅设计数据获得待控制桥梁吊杆(1)的基本数据：吊杆的直径、长度、密度、弹性模量和索力，进而获得桥梁吊杆(1)的一阶自振频率；
步骤二，确定待设计的环形圆柱体调谐液体阻尼器的已知基本参数：阻尼器的设计基频、分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体(3)内径、阻尼液体(4)的密度、阻尼液体(4)与桥梁吊杆(1)的质量比；其中，分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体(3)的内径需考虑桥梁吊杆(1)与阻尼器之间连接构件的尺寸确定，阻尼液体(4)与桥梁吊杆(1)的质量比不超过5%，根据实际待控制桥梁吊杆(1)的需求确定；
步骤三，将阻尼器的设计基频取为步骤一获得的桥梁吊杆(1)的一阶自振频率，根据步骤二获得的环形圆柱体调谐液体阻尼器的已知基本参数，根据环形圆柱体调谐液体阻尼器液体晃动一阶频率计算公式进行计算，得到待设计的环形圆柱体调谐液体阻尼器的外径尺寸及阻尼液体的液面高度值；
步骤四，根据步骤三中得出的环形圆柱体调谐液体阻尼器的基本参数定制加工环形圆柱体调谐液体阻尼器，并加工箱体支架(5)；
步骤五，将箱体支架(5)固定于待控制桥梁吊杆(1)的中点位置，箱体支架(5)用于支撑其上方的环形圆柱体调谐液体阻尼器并防止其脱落；
步骤六，将两部分分体式环形圆柱体调谐液体阻尼器箱体(3)在箱体支架(5)上拼接，并在箱体支架(5)处以及内壁与桥梁吊杆(1)连接处固定；依据设计的阻尼液体高度标准线加入阻尼液体(4)，安装箱体顶盖(2)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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