CN110685212A - 一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，该阻尼器包括拉索紧箍组件、两个阻尼装置和飞轮曲柄机构；其中，所述的拉索紧箍组件与阻尼装置之间采用支承架(5)连接，阻尼装置和飞轮曲柄机构之间通过飞轮曲柄(14)连接，所述的飞轮曲柄机构水平放置，并与两个阻尼装置处于同一平面。与现有技术相比，本发明具有构造形式简单，采用可靠耐久廉价的颗粒作附加阻尼的提供载体，结合调谐质量阻尼器与颗粒阻尼器的优点，通过调谐质量和颗粒摩擦碰撞耗能，降低了设置传统阻尼器的造价，从而具有更强的适用性和经济性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及属于桥梁振动控制领域，尤其是涉及一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置。
背景技术
随着现代桥梁工程技术的不断发展，桥梁的设计偏向轻柔和低阻尼化，斜拉桥的拉索振动问题也在长期困扰着工程设计人员，距日本结构工程学会的实地观测数据表明，斜拉索的振动幅值可能达到索径的5-10倍，长期的振动会引起斜拉索的材料疲劳等原因，影响桥梁的正常使用，甚至可能会引起全桥的安全事故。为了抑制斜拉索的振动，许多专家研究并实践了附加拉索减振阻尼器，利用增加拉索某阶或者多阶振动的模态阻尼原理，使用了橡胶阻尼器、油压阻尼器等。然而在实际使用过程中，橡胶阻尼能够提供的阻尼有限，减振效果也是有限的，油压阻尼器常安装于斜拉索以下，缓解拉索与套筒间的冲击力，目前已取得较好的效果，但油压阻尼器也伴随着油的泄露、受温度影响且刚度有限等问题。
近年来调谐质量阻尼器(TMD)以其对原结构改动小、施工简单、减振效果显著等特点受到广泛重视，并在国内外土木工程结构中得到广泛的应用。但调谐质量阻尼器只能在特定的频带范围内具有一定的减振效果，对于偏离此频带的频率减振效果不佳。如果在质量块上设置空腔，在空腔内部填充颗粒，通过颗粒之间的相互碰撞提供阻尼，在阻尼器腔体外部两正交方向设置非线性弹簧，可以达到调谐质量和提供阻尼的目的，同时还可以加宽阻尼器的减振频率，提高阻尼器的减振效率，降低阻尼器的造价。调谐质量阻尼器相对油压阻尼器可以提供更高的刚度，且颗粒阻尼器拥有对温度和振动方向不敏感的优势，使其拥有替代油压阻尼器成为外置式斜拉索阻尼器的潜力。同时，弹簧的非线性可以俘获主体结构高阶的振动能量，通过附加阻尼器与主体结构共振传递，可迅速降低主体结构的振动，实现靶能量传递，达到高效耗能的目的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通过飞轮曲柄结构连接颗粒阻尼装置和非线性弹簧装置的斜拉索外置式颗粒阻尼器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，该装置包括拉索紧箍组件、两个阻尼器和飞轮曲柄机构；其中，所述的阻尼器为颗粒阻尼器，包括阻尼器筒，所述阻尼器筒内设有至少一个可移动的阻尼腔体，所述阻尼腔体内设有颗粒群，所述阻尼腔体上端与阻尼器筒顶部通过弹簧连接，所述阻尼腔体下端连接阻尼器筒活塞杆；所述阻尼器筒活塞杆与所述飞轮曲柄机构连接，所述的阻尼器筒上端通过支承架与所述拉索紧箍组件连接。
进一步地，所述的拉索紧箍组件由两个开有螺栓连接孔的索箍和螺栓连接件拼装，并将斜拉索包围在拉索紧箍组件以内，该装置的下方还包括两个连接片，该连接片通过销轴与所述的支承架连接。
进一步地，所述的拉索紧箍组件内壁布有树脂或橡胶垫，以增加索箍与斜拉索的摩擦力并起到缓冲作用。
进一步地，所述的阻尼腔体包括上腔体和下腔体；所述的阻尼器筒下部开设圆形洞口，使阻尼器筒体活塞杆运动；所述的上腔体的下端通过弹簧与下腔体的上端连接，所述的下腔体的下端通过阻尼器筒活塞杆与飞轮曲柄机构连接。
进一步地，所述的颗粒群的材料为铜、铝或其他导电性良好的合金，颗粒群中颗粒为截面尺寸为2-50mm的金属或非金属颗粒。金属包括铝合金或镁合金，非金属包括塑料、木头或橡胶。
进一步地，所述的阻尼器筒、上腔体、下腔体的内壁以及相邻腔体之间还包括缓冲材料，所述的缓冲材料为橡胶、泡沫塑料或珍珠棉中的一种或多种，以增加碰撞所耗散的能量。
进一步地，所述的飞轮曲柄机构包括飞轮筒体、两个飞轮筒体活塞杆、非线性弹簧、两个飞轮，所述的飞轮位于飞轮筒体的两端，所述的飞轮筒体活塞杆位于飞轮筒体内部，飞轮与飞轮筒体活塞杆通过所述的飞轮曲柄相连，两个飞轮筒体活塞杆之间设有非线性弹簧。
进一步地，所述非线性弹簧的材料为形状记忆合金，包括镍-钛合金，铜-锌合金；所述飞轮的材料为铝合金/聚乙烯复合材料。
进一步地，所述飞轮通过飞轮轴和轴承安装在飞轮曲柄机构上，保证飞轮轻质容易转动且其孔不容易受冲击变形。
进一步地，所述的飞轮筒体通过连接杆固定于地面上并保证其处于水平。
曲柄连杆机构广泛运用于发动机中，其功用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴的转矩，反之可以通过连接活塞杆，利用飞轮的转动可以放大另一方向的位移。若仅使用颗粒阻尼器时，由于在小震条件下颗粒的运动与碰撞不充分，需要非线性弹簧的刚度变化进行耗能，故可用飞轮放大非线性弹簧的伸缩量，使阻尼器在小震条件下也能实现高效耗能。
由于飞轮曲柄同时与阻尼器筒体活塞杆和飞轮筒体活塞杆铰接，可使阻尼器筒体的运动传递至非线性弹簧上，通过合理设置多个弹簧的刚度，可以使装置提供不同的刚度以调谐结构的频率，阻尼器筒的内壁和隔层以及阻尼器腔体粘贴有缓冲材料，在风/地震作用下，该装置可在各个方向上提供阻尼力，通过颗粒群的摩擦，碰撞，阻尼器腔体运动时摩擦以及非线性弹簧刚度变化多种耗能方式来耗散结构的动能。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明通过采用飞轮曲柄的机构，连接颗粒阻尼器腔体和非线性弹簧，通过颗粒阻尼器腔体内颗粒群的运动抑制了水平方向的振动，对非线性弹簧，通过飞轮曲柄将斜拉索的竖向振动转化为飞轮的扭矩，并利用飞轮筒体活塞杆放大了斜拉索的竖向振动，使得竖向振动得到更大程度的抑制，提高了阻尼器在多个方向的耗能效率；
(2)本发明克服在小震条件下，颗粒群由于移动有限不能达到较好的耗能效果问题，位移不大情况下，通过飞轮曲柄及活塞杆将位移放大，非线性弹簧便可以起到耗能的效果，通过共振的方式实现能量的单向传递，可将基本结构高阶模态的振动能量迅速降低，较传统阻尼器具有较高的耗能效率；大震的条件下，颗粒出现明显的运动与容器壁碰撞，通过冲击碰撞及颗粒之间摩擦耗能，颗粒阻尼和非线性弹簧同时工作，提供多种耗能方式；
(3)本发明采用附加缓冲材料的方法，增加颗粒与阻尼器腔体碰撞所耗散的能量，提高了阻尼器的耗能效率；
(4)本发明通过两个阻尼器活塞杆铰接于飞轮之上，可使阻尼器腔体同时运动，增大腔体摩擦面积，更大程度上达到摩擦耗能效果；
(5)本发明构造形式简单，采用可靠耐久廉价的颗粒作附加阻尼的提供载体，结合调谐质量阻尼器与颗粒阻尼器的优点，通过调谐质量和颗粒摩擦碰撞耗能，降低了设置传统阻尼器的造价，从而具有更强的适用性和经济性。
附图说明
图1为斜拉索外置式颗粒阻尼器示意图；
图2为拉索紧箍组件局部放大图；
图3为飞轮A-A剖面图；
图4为阻尼装置B-B剖面图；
图中标号：1-斜拉索、2-索箍、3-螺栓连接件、4-销轴、5-支承架、6-阻尼器筒、7-阻尼器上腔体、8-阻尼器下腔体、9-颗粒群、10-缓冲材料，11-弹簧、12-阻尼器筒活塞杆、13-飞轮筒体、14-飞轮曲柄、15-飞轮筒体活塞杆、16-非线性弹簧、17-飞轮、18-飞轮轴、19-轴承。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，如图1所示，该阻尼器包括拉索紧箍组件、两个阻尼装置和飞轮曲柄机构；其中，拉索紧箍组件与阻尼装置之间采用支承架5连接，阻尼装置和飞轮曲柄机构之间通过飞轮曲柄14连接，飞轮曲柄机构水平放置，并与两个阻尼装置处于同一平面。
拉索紧箍组件，如图2所示，由两个开有螺栓连接孔的索箍2和螺栓连接件3拼装，并将斜拉索1包围在拉索紧箍组件以内，该装置的下方还包括两个连接片，该连接片通过销轴4与支承架5连接。拉索紧箍组件内壁还布有树脂或橡胶垫。
阻尼装置包括阻尼器筒6，如图4所示、两个阻尼器上腔体7、两个阻尼器下腔体8、弹簧11和阻尼器筒活塞杆12；阻尼器筒6上端与支承架5连接，阻尼器筒6下部开设圆形洞口，使阻尼器筒体活塞杆12运动；上腔体7的上端通过弹簧11与阻尼器筒6上内壁连接，上腔体7的下端通过弹簧11与下腔体8的上端连接，下腔体8的下端通过阻尼器筒活塞杆12与飞轮曲柄14连接。上腔体7和下腔体8内还包括颗粒群9，颗粒群9为截面尺寸为2-50mm的金属或非金属颗粒。阻尼装置的内壁、上腔体7、下腔体8以及腔体隔层还包括缓冲材料10，缓冲材料10包括橡胶、泡沫塑料或珍珠棉中的一种或多种。
飞轮曲柄机构包括飞轮筒体13、两个飞轮筒体活塞杆15、非线性弹簧16、两个飞轮17，飞轮17位于飞轮筒体13的两端，飞轮筒体活塞杆15位于飞轮筒体13内部，飞轮17与飞轮筒体活塞杆15通过飞轮曲柄14相连，两个飞轮筒体活塞杆15之间设有非线性弹簧16。非线性弹簧16的材料为形状记忆合金，包括镍-钛合金，铜-锌合金；飞轮17的材料为铝合金/聚乙烯复合材料。飞轮17通过飞轮轴18和轴承19安装在飞轮曲柄机构上，如图3所示。飞轮筒体13通过连接杆固定于地面上并保证其处于水平。
在风/地震作用下，索箍2和支承架5随拉索的振动而振动，并将振动传递至阻尼器筒6上，阻尼器筒6体通过弹簧11调谐以及颗粒群9的运动撞击腔体内壁耗能，腔体的运动通过阻尼器筒活塞杆12的运动传递至飞轮曲柄14，将阻尼器筒活塞杆12的直线运动转化为飞轮17的扭转运动，与其连接的飞轮筒体活塞杆15将直线位移放大，使非线性弹簧16充分压缩，在非线性弹簧16恢复时，通过调整阻尼器筒活塞杆12的长度，使阻尼器下腔体8在飞轮17转动时保持同步运动，通过腔体和筒体内壁缓冲材料10的相对运动，产生摩擦耗能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，该装置包括拉索紧箍组件、两个阻尼器和飞轮曲柄机构；
其中，所述的阻尼器为颗粒阻尼器，包括阻尼器筒(6)，所述阻尼器筒(6)内设有至少一个可移动的阻尼腔体，所述阻尼腔体内设有颗粒群(9)，所述阻尼腔体上端与阻尼器筒(6)顶部通过弹簧(11)连接，所述阻尼腔体下端连接阻尼器筒活塞杆(12)；
所述阻尼器筒活塞杆(12)与所述飞轮曲柄机构连接，所述的阻尼器筒(6)上端通过支承架(5)与所述拉索紧箍组件连接。
2.根据权利要求1所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述的拉索紧箍组件由两个开有螺栓连接孔的索箍(2)和螺栓连接件(3)拼装，并将斜拉索(1)包围在拉索紧箍组件以内，该装置的下方还包括两个连接片，该连接片通过销轴(4)与所述的支承架(5)连接。
3.根据权利要求2所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述的拉索紧箍组件内壁布有树脂或橡胶垫。
4.根据权利要求1所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述的阻尼腔体包括上腔体(7)和下腔体(8)；所述的阻尼器筒(6)下部开设圆形洞口，使阻尼器筒体活塞杆(12)运动；所述的上腔体(7)的下端通过弹簧(11)与下腔体(8)的上端连接，所述的下腔体(8)的下端通过阻尼器筒活塞杆(12)与飞轮曲柄机构连接。
5.根据权利要求1所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述的颗粒群(5)的材料为铜、铝或其他导电性良好的合金，颗粒群(5)中颗粒的截面尺寸为2-50mm。
6.根据权利要求4所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述的阻尼器筒(6)、上腔体(7)、下腔体(8)的内壁以及相邻腔体之间还包括缓冲材料(10)，所述的缓冲材料(10)为橡胶、泡沫塑料或珍珠棉中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述的飞轮曲柄机构包括飞轮筒体(13)、两个飞轮筒体活塞杆(15)、非线性弹簧(16)、两个飞轮(17)，所述的飞轮(17)位于飞轮筒体(13)的两端，所述的飞轮筒体活塞杆(15)位于飞轮筒体(13)内部，飞轮(17)与飞轮筒体活塞杆(15)通过所述的飞轮曲柄(14)相连，两个飞轮筒体活塞杆(15)之间设有非线性弹簧(16)。
8.根据权利要求7所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述非线性弹簧(16)的材料为形状记忆合金，包括镍-钛合金，铜-锌合金；所述飞轮(17)的材料为铝合金/聚乙烯复合材料。
9.根据权利要求7所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述飞轮(17)通过飞轮轴(18)和轴承(19)安装在飞轮曲柄机构上。
10.根据权利要求7所述的一种斜拉索外置式颗粒阻尼装置，其特征在于，所述的飞轮筒体(13)通过连接杆固定于地面上并保证其处于水平。
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