CN109750594A - 大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器及其工作方法，减振器包括：管式壳体，管式壳体中设有长度大于管式壳体的钢轴，钢轴一端伸出管式壳体端部，另一端设有卡在管式壳体中的活塞板；管式壳体的一端为封闭结构，封闭结构的端部设有用于与桥墩处连接的万向铰；管式壳体的另一端设有盖板，盖板中心处设置供所述钢轴穿过的孔；所述管式壳体内沿管式壳体轴线方向设有至少三段阻尼腔，分别是位于管式壳体封闭结构和活塞板之间的第一阻尼腔、位于活塞板和环形隔板之间的第二阻尼腔以及位于环形隔板和盖板之间的第三阻尼腔。本发明装置对桥梁发生的高、低频率和大、小幅值的振动均有明显的耗能效果，并采用装配式连接，便于拆装和维修。

Description

大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器及其工作方法

技术领域

本发明主要涉及阻尼器领域，特指一种大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器及其工作方法，该装置对大跨桥梁主梁的有害振动，包括风振激励、车辆荷载、人行振动、温度伸缩、地震激励等能起到很好的抑制作用。

背景技术

桥梁结构的跨度随着时代的发展变得越来越大，服役环境也更加苛刻，无论是行人穿越、车辆运行、车辆制动、风雨激振等常见荷载还是飓风、地震等偶然荷载，他们经常引起主梁顺桥向振动，并引发一系列的工程问题，如主梁纵向摆动过大、塔墩底弯矩过大，甚至塔柱倾斜、主梁脱落等。而在桥梁结构上增设耗能减振器是一种有效的振动抑制方法，根据工作原理的不同主要分为位移相关型减振器和速度相关型减振器。位移相关型减振器的阻尼力主要受振动位移幅值影响，他们在突破弹性极限后开始消耗振动能量工作，常见的有金属或摩擦减振器，但是他们对某些小位移幅值、高频的振动减振效果差；速度相关型阻尼器的阻尼力主要受振动速度的影响，他们在小幅值振动时就可以耗散能量，但是性能往往受到工作温度的影响，且在长期激励下容易出现泄露或减振材料破坏等问题。且目前的减振器采用的限位方式往往是超过设定位移后减振器突然锁死，这种硬限位的方式往往会对桥梁上部结构产生冲击。最后目前的桥梁减振器存在泄露、疲劳破坏等问题，寿命较短，且不易拆卸维修，如果减振器破坏往往需要整体更换，增加了使用成本，限制了减振器在桥梁领域的大范围应用。

发明内容

对于现有技术存在的问题，本发明提供一种大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器及其工作方法，该装置对桥梁发生的高、低频率和大、小幅值的振动均有明显的耗能效果，充分发挥了减振材料的耗能能力，并采用装配式连接，便于拆装和维修。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器，安装在桥墩和大跨桥主梁之间，包括：管式壳体，管式壳体中设有长度大于管式壳体的钢轴，钢轴一端伸出管式壳体端部，另一端设有卡在管式壳体中的活塞板；管式壳体的一端为封闭结构，封闭结构的端部设有用于与桥墩处连接的铰接件；管式壳体的另一端设有盖板，盖板中心处设置供所述钢轴穿过的孔；

所述管式壳体内沿管式壳体轴线方向设有至少三段阻尼腔，分别是位于管式壳体封闭结构和活塞板之间的第一阻尼腔、位于活塞板和环形隔板之间的第二阻尼腔以及位于环形隔板和盖板之间的第三阻尼腔，其中，

所述第一阻尼腔呈圆柱形，沿圆柱形的第一阻尼腔的轴心处设有直径小于第一阻尼腔内径的圆柱形粘弹性耗能单元；

所述第二阻尼腔呈环形，环形的第二阻尼腔内设有环形粘弹性耗能单元，并且所述环形粘弹性耗能单元的外径小于第二阻尼腔内径，环形粘弹性耗能单元的内径大于钢轴的外径；

所述第三阻尼腔呈两端窄中间大的梭形，梭形第三阻尼腔中填充有高延性耗能单元，钢轴上位于第三阻尼腔的部分设有一椭球形凸起，所述椭球形凸起的几何中心和第三阻尼腔的几何中心重合。

所述第三阻尼腔两端的小口直径小于椭球形凸起的横截面直径。

所述管式壳体包括多个缸筒轴向串接而成，每两个缸筒的端部之间通过法兰连接，其中，至少一个缸筒内形成所述第一阻尼腔和第二阻尼腔，至少一个缸筒内形成所述第三阻尼腔。

所述钢轴和活塞板之间采用螺纹连接。

所述第三阻尼腔的一侧腔壁上设有灌料孔。

所述高延性耗能单元为金属铅、沥青、高标号硅油或者聚氨酯中的一种。

一种基于所述的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器的工作方法，钢轴的伸出端和减振器的单向铰分别连接在大跨桥梁结构的主梁和桥墩处，当振动使桥墩和主梁之间发生相对运动，即发生大位移振动激励下，钢轴上的椭球形凸起相对于第三阻尼腔中的高延性耗能单元发生左、右往复的直线运动，由于高延性耗能单元在椭球形凸起和右缸筒的不断挤压下流动及耗散振动能量；同时由于活塞板运动，因此第一阻尼腔中的圆柱形粘弹性阻尼材料和第二阻尼腔中的环形粘弹性耗能单元将发生往复的挤压变形，耗散振动能量；

在小位移振动激励下，因第三阻尼腔内壁与椭球形凸起间隙较大，此时第三阻尼腔部分产生的阻尼力较小，减振器主要通过第一阻尼腔和第二阻尼腔内的粘弹性耗能单元耗散振动能量；

在地震、外部冲击等大位移振动激励下，因第三阻尼腔内壁与椭球形凸起间的间隙变小，此时第三阻尼腔产生的阻尼力较大，减振器通过第一阻尼腔内粘弹性耗能单元、第二阻尼腔内粘弹性耗能单元以及第三阻尼腔内高延性耗能单元共同耗散振动能量；

在季节或者其它因素引起减振器温度较高时，粘弹性阻尼单元中的粘弹性材料性能变弱，高延性耗能单元起主要耗能作用。

有益效果：

第一、本发明的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器的高延性耗能单元和粘弹性耗能单元何以协同工作。由于第三阻尼腔内壁采用了变截面的内壁设计，钢轴上椭球形凸起越靠近端部，阻尼力越大，所以在风振、车辆激励、人行荷载等小位移振动激励下，减振器主要通过第一阻尼腔和第二阻尼腔中粘弹性耗能单元耗散振动能量；在地震、外部冲击等大位移振动激励下，减振器通过粘弹性耗能单元和高延性耗能单元共同耗散振动能量。这种耗能单元协同工作的特点使得减振器具有减小不同频率不同激励幅值的振动能力，可减小风振激励、车辆荷载、人行振动、温度伸缩、地震激励等引起的振动反应，同时降低了阻尼材料的工作负荷，延长了减振材料的使用寿命，减小了减振器的使用成本。

第二、本发明的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器采用柔性的限位设计。由于第三阻尼腔内壁采用了变截面的内壁设计，钢轴上椭球形凸起越靠近端部，阻尼力越大，其次，在活塞板接近第一阻尼腔的封闭结构时，圆柱形粘弹性耗能单元或环形粘弹性耗能单元会由于压缩而发生过大的膨胀和缸筒内壁接触，此时粘弹性耗能单元处于三向受压状态，阻尼力大幅增加，综上高延性耗能单元和粘弹性耗能单元在小振的情况下提供较小的阻尼力，在钢轴上椭球形凸起和第三阻尼腔与两个窄口端部之间发生直接碰撞、活塞板和管式壳体之间发生直接碰撞前，阻尼器提供了较大的阻尼力，起到缓冲作用，避免了桥梁结构因为减振器的硬碰撞造成的冲击破坏。

第三、本发明的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器具有较高的温度适应性。由于本装置含有对温度不敏感的高延性阻尼耗能单元，能够在不同温度下提供稳定的阻尼力，尤其是在季节或者其它因素引起减振器的较高温度下，粘弹性阻尼单元中的粘弹性材料发生性能衰退时，高延性耗能单元起主要耗能作用。

第四、本发明的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器具有更换零部件方便、维修简单的特点。由于右缸筒和左缸筒之间采用螺栓连接，活塞板和钢轴之间采用螺栓连接，因此可单独更换减振器内部的实心粘弹性垫、开孔粘弹性垫和铅阻尼单元，便于分时段更换内部损坏的阻尼材料。

第五、本发明的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器具有不会发生泄露、使用寿命长、造价低廉的特点。由于采用了高延性耗能单元和粘弹性耗能单元，这两个耗能单元为半固体或固体，不会发生泄露，同时其造价低廉，因此大幅提升了减振器的使用寿命及减小了减振器的造价。

第六、本发明的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器具有减小多方向振动的特点。由于左端连接头采用了两个单向铰垂直连接，该减振器可减小桥梁结构的多方向振动。

附图说明

图1是本发明的结构正视图；

图2是本发明的剖面图；

其中，1、钢轴；2、右缸筒；3、左缸筒；4、椭球形凸起；5、活塞板；6.1、灌料孔；6.2、螺栓盖板；7、金属铅；8、圆柱形粘弹性耗能单元；9、环形粘弹性耗能单元；10、单向铰；11、缸筒盖板；12、法兰。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例

如图2所示，一种大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器及其工作方法，包括：

从右到左依次为钢轴1、右缸筒2、高延性耗能单元7、左缸筒3、圆柱形粘弹性耗能单元8、环形粘弹性耗能单元8、两个单向铰10，其中，钢轴1贯穿右缸筒2再伸入左缸筒3中，右缸筒2中开有梭形腔，梭形腔中填充有高延性耗能单元7，左缸筒2左端设置两个单向铰10，两个单向铰10的插销互相垂直放置形成万向铰。

所述钢轴1、右缸筒2、左缸筒3三者的中轴共线，钢轴1中设置一椭球形凸起4，钢轴1伸入左缸筒2的端部连接一活塞板5；

所述椭球形凸起4的几何中心和右缸筒2的几何中心重合，活塞板5的几何中心和左缸筒2的几何中心重合；

所述右缸筒2的壁厚自中间向两端线性增加，右缸筒2和钢轴1之间形成的腔体内填满高延性耗能单元；

所述左缸筒3内放置圆柱形粘弹性耗能单元8和环形粘弹性耗能单元9，分别位于活塞板5的两侧，钢轴1完全贯穿环形粘弹性耗能单元9，按照受压力等效原则确定圆柱形粘弹性耗能单元8和环形粘弹性耗能单元9的横截面积之比，粘弹性材料和左缸筒2内壁的间距需保证小位移压缩时可自由膨胀，大位移压缩时膨胀时受到左缸筒2内壁约束。

椭球形凸起4的尺寸需使高延性耗能单元提供的附加刚度和附加阻尼为抗震设计求得减振器总刚度和阻尼的1/4~3/4。

所述右缸筒2的内壁倾斜角度需保梭形腔的两端小口直径略小于椭球形凸起的横截面直径。

所述粘弹性材料的尺寸需根据钢轴1上椭球形凸起4的尺寸、右缸筒2梭形腔的尺寸和所填充材料类别综合确定，保证粘弹性耗能单元和高延性耗能单元的附加阻尼比和附加刚度相互协调。

所述右缸筒2和左缸筒1通过法兰盖板螺栓连接。

所述法兰盖板12和缸筒盖板11的中间开有圆孔，尺寸和钢轴直径相互配合。

所述钢轴1和活塞板5之间采用螺纹连接。

所述右缸筒2外壁中部开有一灌料孔6.1，并设置一螺栓盖板6.2。

作为本发明技术方案的一个优选实施例，所述左缸筒3左端设置两个单向铰10，两个单向铰10的铰链插销互相垂直放置。

作为本发明技术方案的一个优选实施例，所述高延性耗能单元可以采用金属铅，但也可以使用沥青、高标号硅油或者聚氨酯。

装配时，首先将钢轴1穿过右缸筒2，使椭球形凸起4的几何中心和位于右缸筒2的几何中心重合，再在右缸筒2的两端安装缸筒盖板11和法兰盖板12，完成铅挤压阻尼单元的初步安装。

其次，在钢轴1的伸出端贯穿环形粘弹性耗能单元9，并将钢轴1和活塞板5用螺纹连接，在左缸筒3内放置圆柱形粘弹性耗能单元8，然后将左缸筒3和右缸筒2通过螺栓连接，完成粘弹性耗能单元的安装。

最后通过灌料孔6.1向右缸筒2内灌入金属铅，灌满后用螺栓盖板6.2封堵灌料孔，完成大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器及其工作方法的安装。

本发明的一种基于所述的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器的工作方法是：

钢轴1的右端和的单向铰10分别连接在大跨桥梁结构的主梁（箱梁）和桥墩处，使得钢轴1和右缸筒2、左缸筒3之间发生相对运动；当振动使桥墩和主梁（箱梁）之间发生相对运动时，钢轴1中的椭球形凸起5相对于右缸筒中的金属铅7发生左、右往复的直线运动，由于金属铅7在椭球形凸起4和右缸筒2的不断挤压下不断地屈服进入塑性吸收振动能量；同时由于活塞板5相对于左缸筒3发生相对运动，因此左缸筒3中的圆柱形粘弹性耗能单元8和环形粘弹性耗能单元9将发生往复的挤压变形，耗散振动能量。

在风振、车辆激励、人行荷载等小位移振动激励下，因右缸筒2内壁与椭球形凸起4间隙较大，此时右缸筒2部分产生的阻尼力较小，减振器主要通过左缸筒3内粘弹性耗能单元耗散振动能量；在地震、外部冲击等大位移振动激励下，因右缸筒2内壁与椭球形凸起4间的间隙变小，此时右缸筒部分产生的阻尼力较大，减振器通过左缸筒3内粘弹性耗能单元和右缸筒2内高延性耗能单元共同耗散振动能量；在季节或者其它因素引起减振器温度较高时，粘弹性阻尼单元中的粘弹性材料性能变弱，高延性耗能单元起主要耗能作用；

右缸筒2内壁采用了变截面的内壁设计，钢轴上椭球形凸起4越靠近端部，阻尼力越大，其次，在活塞板5接近左缸筒3的端部时，圆柱形粘弹性耗能单元8或环形粘弹性耗能单元9会由于压缩而发生过大的膨胀，粘弹性材料和缸筒内壁接触，此时粘弹性材料处于三向受压状态，阻尼力大幅增加，综上，高延性耗能单元和粘弹性耗能单元在小振的情况下提供较小的阻尼力，在大振的情况下提供较大的阻尼力，即限位器工作前减振器已经获得较大的阻尼力和刚度，起到缓冲作用，这种柔性的限位设计就避免了减振器内部的元件之间发生硬碰撞造成的桥梁结构受冲击作用而破坏；

进一步的，由于左右缸筒采用法兰12和螺栓连接，左右缸筒内可分别进行维修或更换，不用同时维修或更换整个减振器。

由于采用了高延性耗能单元和粘弹性耗能单元，这两个耗能单元为半固体或固体，不会发生泄露，同时其造价低廉，因此大幅提升了减振器的使用寿命及减小了减振器的造价。

由于左端连接头采用了两个单向铰10垂直连接，该减振器可减小桥梁结构的多方向振动。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施 方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不 同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的 精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器，安装在桥墩和大跨桥主梁之间，其特征在于，包括：管式壳体，管式壳体中设有长度大于管式壳体的钢轴，钢轴一端伸出管式壳体端部，另一端设有卡在管式壳体中的活塞板；管式壳体的一端为封闭结构，封闭结构的端部设有用于与桥墩处连接的万向铰；管式壳体的另一端设有盖板，盖板中心处设置供所述钢轴穿过的孔；

所述管式壳体内沿管式壳体轴线方向设有至少三段阻尼腔，分别是位于管式壳体封闭结构和活塞板之间的第一阻尼腔、位于活塞板和环形隔板之间的第二阻尼腔以及位于环形隔板和盖板之间的第三阻尼腔，其中，

所述第一阻尼腔呈圆柱形，沿圆柱形的第一阻尼腔的轴心处设有直径小于第一阻尼腔内径的圆柱形粘弹性耗能单元；

所述第二阻尼腔呈环形，环形的第二阻尼腔内设有环形粘弹性耗能单元，并且所述环形粘弹性耗能单元的外径小于第二阻尼腔内径，环形粘弹性耗能单元的内径大于钢轴的外径；

所述第三阻尼腔呈两端窄中间大的梭形，梭形第三阻尼腔中填充有高延性耗能单元，钢轴上位于第三阻尼腔的部分设有一椭球形凸起，所述椭球形凸起的几何中心和第三阻尼腔的几何中心重合。

2.根据权利要求1所述的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器，其特征在于，所述第三阻尼腔两端的小口直径小于椭球形凸起的横截面直径。

3.根据权利要求1所述的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器，其特征在于，所述管式壳体包括多个缸筒轴向串接而成，每两个缸筒的端部之间通过法兰连接，其中，至少一个缸筒内形成所述第一阻尼腔和第二阻尼腔，至少一个缸筒内形成所述第三阻尼腔。

4.根据权利要求1所述的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器，其特征在于，所述钢轴和活塞板之间采用螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器，其特征在于，所述第三阻尼腔的一侧腔壁上设有灌料孔。

6.根据权利要求1所述的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器，其特征在于，所述高延性耗能单元为金属铅、沥青、高标号硅油或者聚氨酯中的一种。

7.一种基于权利要求1~6中任一所述的大跨桥梁复合型多方向抗风抗震减振器的工作方法，其特征在于，钢轴的伸出端和减振器的单向铰分别连接在大跨桥梁结构的主梁和桥墩处，当振动使桥墩和主梁之间发生相对运动，即发生大位移振动激励下，钢轴上的椭球形凸起相对于第三阻尼腔中的高延性耗能单元发生左、右往复的直线运动，由于高延性耗能单元在椭球形凸起和右缸筒的不断挤压下流动及耗散振动能量；同时由于活塞板运动，因此第一阻尼腔中的圆柱形粘弹性阻尼材料和第二阻尼腔中的环形粘弹性耗能单元将发生往复的挤压变形，耗散振动能量；

在小位移振动激励下，因第三阻尼腔内壁与椭球形凸起间隙较大，此时第三阻尼腔部分产生的阻尼力较小，减振器主要通过第一阻尼腔和第二阻尼腔内的粘弹性耗能单元耗散振动能量；

在地震、外部冲击等大位移振动激励下，因第三阻尼腔内壁与椭球形凸起间的间隙变小，此时第三阻尼腔产生的阻尼力较大，减振器通过第一阻尼腔内粘弹性耗能单元、第二阻尼腔内粘弹性耗能单元以及第三阻尼腔内高延性耗能单元共同耗散振动能量；

在季节或者其它因素引起减振器温度较高时，粘弹性阻尼单元中的粘弹性材料性能变弱，高延性耗能单元起主要耗能作用。