CN109594473B - 用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器 - Google Patents
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Abstract
一种用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器，包括橡胶套筒、环形容器和质量钢球，所述橡胶套筒套装在斜拉索上，所述橡胶套筒的外壁套装所述环形容器，所述质量钢球位于环形容器内，所述质量钢球的外径比所述环形容器的径向宽度小。本发明提供一种振动抑制效果较好的用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构减振技术领域，具体涉及一种桥梁斜拉索抑振阻尼器。
背景技术
随着斜拉桥建造技术的不断进步，其跨度逐渐增大，作为主要承力构件的斜拉索长径比随之增大，且刚度、阻尼不断降低，易在风、风雨、地震及车载等外界激励下产生大幅振动，进而引发斜拉索锚固区锈蚀、应力腐蚀、疲劳损伤及行人的不舒适感和不安全感。外置式斜拉索减振装置成为主要的斜拉索减振措施之一，国内外学者对此进行了大量的理论及试验研究，所研发的阻尼器主要安装在桥面处的斜拉索下端，在国内外数十座斜拉桥上得到了大量应用，取得了一定的减振效果。然而斜拉索振动诱发机理较为复杂，目前理论近似模型研究尚不能完全诠释斜拉索振动机理问题，在目前的技术研究水平下，由于不同桥位处的风环境变化复杂，特别是海域斜拉桥的拉索面临更加恶劣的强风致振条件，目前看来单一的桥面阻尼器还无法完全实现抑振效果。因此，需要采取新的外置式阻尼减振措施。
发明内容
为了克服已有桥面阻尼器的振动抑制效果较差的不足，本发明提供一种振动抑制效果较好的用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器，包括橡胶套筒、环形容器和质量钢球，所述橡胶套筒套装在斜拉索上，所述橡胶套筒的外壁套装所述环形容器，所述质量钢球位于环形容器内，所述质量钢球的外径比所述环形容器的径向宽度小。
进一步，所述环形容器的内腔设置阻尼液。
更进一步，所述橡胶套筒的外壁与所述环形容器的内壁之间粘结。
再进一步，所述环形容器的外型为圆环状，由两个内部中空的半环状套管组成，两个半环状套管的上部之间用合页连接，半环状套管的下部之间通过固定插销固定。
所述质量钢球为实心钢球，用于充当质量块，可以选择不同质量的钢球用于充当质量块，从而起到调节整个装置质量的作用。钢球在斜拉索振动时会向振动的反方向运动提供回复力，从而减小斜拉索的振幅。
本发明的技术构思为：阻尼器是工程结构中常用的一类消能减振装置，它的力学模型是由质量块、弹簧和阻尼器组成的一个单自由度振动系统。阻尼器系统有它自身的振动频率和阻尼，通过改变质量或刚度调整阻尼器子系统的自振频率使其接近主结构的基本频率。当主结构受振时，子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在结构上，使主结构的振动响应衰减。阻尼器在减振控制过程中通过自身质量块的运动来减少主结构的振动，所以他又被称为“动力吸振器”。
本发明的有益效果主要表现在：加工简单，安装方便，振动抑制效果较好。
附图说明
图1为用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器的整体结构示意图；
图2为本发明在拉索上安装位置的示意图；
图3为未安装本发明时拉索的布置图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器，包括橡胶套筒1、环形容器3和质量钢球5，所述橡胶套筒1套装在斜拉索上，所述橡胶套筒1的外壁套装所述环形容器3，所述质量钢球5位于环形容器3内，所述质量钢球5的外径比所述环形容器3的径向宽度小。
进一步，所述环形容器3的内腔设置阻尼液。
更进一步，所述橡胶套筒1的外壁与所述环形容器3的内壁之间粘结。
再进一步，所述环形容器3的外型为圆环状，由两个内部中空的半环状套管组成，两个半环状套管的上部之间用合页6连接，半环状套管的下部之间通过固定插销5固定。
所述质量钢球5为实心钢球，用于充当质量块，可以选择不同质量的钢球用于充当质量块，从而起到调节整个装置质量的作用。钢球在斜拉索振动时会向振动的反方向运动提供回复力，从而减小斜拉索的振幅。
所述橡胶套筒1用于把装置固定于斜拉索上，橡胶套筒用两个环状橡胶垫片组成，橡胶套筒1的尺寸具体按照需要安装位置处的斜拉索直径而定，橡胶套筒1还可以加大套筒与斜拉索之间的摩擦力，防止整个阻尼器相对于斜拉索产生滑动；环形容器3的外型为圆环状，由两个内部中空的半环状铁制套管组成，其截面为长方形，其内部装有质量钢球和阻尼液；环形容器的直径在16～20cm之间，沿拉索方向厚度在5～8cm之间，所述环形容器3与所述橡胶套筒1之间采用粘接。所述质量钢球5采用实心钢所造，用于充当质量块，可以选择不同质量的钢球充当质量块，从而起到调节整个装置质量的作用，钢球在斜拉索振动时会向振动的反方向运动，从而减小斜拉索的振幅。所述阻尼液4采用工程机械专用阻尼液。
该阻尼器7安装在斜拉索振幅最大位置处，需要对斜拉索的振型进行计算。
通过在索中部安装阻尼器，来增加质量并提供索振动的反向恢复力，来改变斜拉索的振动特征及运动参数，从而实现抑振效果，斜拉索在风荷载作用下的振动可以看作任意支承条件下的分布参数体系在任意荷载作用下的动力反应，可以用振型叠加法分析。
建立振型坐标为变量的标准体系运动方程：
式中M为振型质量，pn(t)为振型力，ζn为振型阻尼比，ωn自由振动频率，qn(t)为第n阶振型的广义坐标。
振型质量为Mn
其中振型函数
所以
振型力：把垂直于拉索方向的重力看作分布荷载P(x,t)。
P(x,t)沿长度方向变化，所以P(x,t)＝P(t)
运动方程的解为
式中，为第n阶有阻尼自振频率，ωn为自由振动频率，按下式计算：将qn(t)代入索的振动位移表达式/>得：
用Rayleigh法计算拉索的固有频率：
装上阻尼器后，把阻尼器看成一个集中质量，上式频率减小，相应的振幅也减小。这是阻尼器充当集中质量时的减振效果。还有一部分减振效果是由能量损耗实现，阻尼器中质量球和阻尼液之间产生摩擦，把振动的机械能通过热能的形式散发掉。当振动体系振幅最大时，动能为零，而应变能为最大，根据能量守恒定律，应变能一部分转换动能，另一部分克服摩擦力做功，以热能的形式散发掉。
T(t)＝V(t)+Ef
式中T(t)为应变能，V(t)为动能，Ef为摩擦力做功生成的热能。
Claims (2)
1.一种用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器的振型叠加法分析方法，其特征在于，阻尼器包括橡胶套筒、环形容器和质量钢球，所述橡胶套筒套装在斜拉索上，所述橡胶套筒的外壁套装所述环形容器，所述质量钢球位于环形容器内，所述质量钢球的外径比所述环形容器的径向宽度小，选择不同质量的钢球用于充当质量块，从而起到调节整个装置质量的作用；所述环形容器的内腔设置阻尼液，所述橡胶套筒的外壁与所述环形容器的内壁之间粘结，所述环形容器的外型为圆环状，由两个内部中空的半环状套管组成，两个半环状套管的上部之间用合页连接，半环状套管的下部之间通过固定插销固定；通过在索中部安装阻尼器，增加质量并提供索振动的反向恢复力，改变斜拉索的振动特征及运动参数，斜拉索在风荷载作用下的振动可以看作任意支承条件下的分布参数体系在任意荷载作用下的动力反应，用振型叠加法分析方法如下：
建立振型坐标为变量的标准体系运动方程：
式中M为振型质量，pn(t)为振型力，ζn为振型阻尼比，ωn为自由振动频率，qn(t)为第n阶振型的广义坐标；
振型质量为Mn：
其中振型函数
所以，
振型力：把垂直于拉索方向的重力看作分布荷载P(x，t)；
P(x,t)沿长度方向变化，所以P(x,t)＝P(t)；
运动方程的解为：
式中，为第n阶有阻尼自振频率，ωn为自由振动频率，
按下式计算：将qn(t)代入索的振动位移表达式得：
用Rayleigh法计算拉索的固有频率：
装上阻尼器后，把阻尼器看成一个集中质量，上式频率减小，相应的振幅也减小，这是阻尼器充当集中质量时的减振效果；还有一部分减振效果是由能量损耗实现，阻尼器中质量球和阻尼液之间产生摩擦，把振动的机械能通过热能的形式散发掉；当振动体系振幅最大时，动能为零，而应变能为最大，根据能量守恒定律，应变能一部分转换动能，另一部分克服摩擦力做功，以热能的形式散发掉；
T(t)＝V(t)+Ef；
式中T(t)为应变能，V(t)为动能，Ef为摩擦力做功生成的热能。
2.如权利要求1所述的用于抑制桥梁斜拉索振动的环状新型阻尼器的振型叠加法分析方法，其特征在于，所述质量钢球为实心钢球。
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