CN111794093A - 固体粘滞阻尼器及其在梳齿板式伸缩装置中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁伸缩装置附属装置，特别是指一种固体粘滞阻尼器及其在梳齿板式伸缩装置中的应用。固体粘滞阻尼器包括下端封闭且顶端开口的缸体，沿纵向设置于缸体内的缸杆，所述的缸体内设有弹塑性体，缸杆中部及下端埋设于弹塑性体内且其下端与缸体底部设有配合间隙。本发明解决了现有技术存在的伸缩装置在受到车辆冲击等作用下易被破坏且噪音大等问题。具有构造简单、维护及运行方便，可有效降低噪音，减少因外界因素变化及车辆冲击对伸缩装置造成的振动破坏等优点。

Description

固体粘滞阻尼器及其在梳齿板式伸缩装置中的应用

技术领域

本发明属于桥梁伸缩装置附属装置，特别是指一种固体粘滞阻尼器及其在梳齿板式伸缩装置中的应用。

背景技术

桥梁结构会因温度变化、混凝土收缩及徐变桥梁墩台的沉降和转动等因素而伸长或缩短，为使车辆平稳通过桥面并满足变形的需要，必须在桥梁上设置伸缩缝装置以满足桥梁的变位要求。桥梁在伸缩装置位置刚度突变，车辆往返不断对伸缩装置造成冲击，齿板振动产生噪音，同时长期冲击作用造成伸缩装置下部砼结构及齿板损坏，严重时导致伸缩装置失效从而严重影响通行安全。

因为伸缩装置不断收到车辆冲击荷载的作用，故需要通过锚固组件与梁体连接，从锚固组件角度出发在保证锚固强度的同时又要求缓冲车辆冲击作用，这对于现有伸缩装置是很难办到的。现有伸缩装置直接采用锚固螺栓旋紧，保证连接强度避免振动，最终在使用过程中逐渐松动脱落失效。或者采用预应力弹簧和橡胶减振，橡胶容易老化，影响实际使用效果。预应力弹簧长期受力极易失效，一旦失效后果更加严重。

在减振缓冲的同时，伸缩装置还需要适应梁体因温度变化产生的正常位移，以及在车辆荷载、梁体徐变、桥墩(台)不均匀沉降、温差等因素影响下产生的竖向转角。伸缩装置需要实现多向变位要求，避免齿板翘起，卡顿影响使用安全及行车舒适性。

基于上述原因，伸缩装置一是要保证强度抵抗冲击，二是要实现减振降噪，三是能实现多向变位，现有伸缩装置已经很难同时满足上述需求，使用过程会出现各种问题。因此，研究一种能够实现减振降噪同时能满足梁体的多向变位要求的伸缩装置。

阻尼器是以提供运动阻力，耗减运动能量的装置。使用在不同地方或不同工作环境就有不同的阻尼作用。例如用于减振；用于防震，低速时允许移动，在速度或加速度超过相应的值时闭锁，形成刚性支撑。在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中已应用各种各样的阻尼器(或减震器)来减振消能。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中，其发展十分迅速。特别是有五十多年历史的液压粘滞阻尼器，在美国被结构工程界接受以前，经历了大量实验，严格审查，反复论证，特别是地震考验的漫长过程。

粘滞阻尼器目前在桥梁中的相关应用类似速度开关，其在震动工作状态时变成一个刚性连接，在自由状态可自由移动连接。在任何突发负荷(如：地震、制动、列车加速、车辆船舶碰撞、暴风或任何其他冲击的作用)下将导致桥梁突然移动，粘滞阻尼器变成为一个刚性连接装置。而在正常热膨胀和冷收缩等情况发生时，粘滞阻尼器允许桥梁板和桥墩之间有相对移动。

物体在外力作用下产生变形，当外力消除后可完全恢复原状的性能叫做弹性；若消除外力后很少或完全不能恢复原状的性能叫做塑性。在一定的力学条件下(指外力的大小、作用时间和作用方式等条件)，固体物质中往往既表现有弹性，又具有塑性，在低缓力的作用下处于塑性状态，在冲击力或短时压应力的作用下又具有弹性，这样的物体叫做弹性塑性体，简称弹塑性体。

申请人在国内专利数据库中未发现与本申请相同或相近似的专利文献报道，目前关于采用粘滞阻尼器实现伸缩装置减振降噪未见相关研究，之前没有任何研究将粘滞阻尼器应用于桥梁伸缩装置，在公开的文献报道及实际应用中仅见采用橡胶、弹簧等缓冲构件，其实际减振降噪及缓解冲击的效果较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体粘滞阻尼器及其在梳齿板式伸缩装置中的应用，在适应车辆冲击作用的同时降低振动噪音，适应梁端任意角度的变化，保证行驶的舒适性。

本发明的整体技术构思是：

固体粘滞阻尼器，包括下端封闭且顶端开口的缸体，沿纵向设置于缸体内的缸杆，所述的缸体内设有弹塑性体，缸杆中部及下端埋设于弹塑性体内且其下端与缸体底部设有配合间隙。

本发明中涉及的弹塑性体从制作材质而言应具备足够的弹性和塑性；有足够的黏着性、防水性；较高的变形能力和较低的抗压应力；较高的软化点及足够低的脆性温度；在高于熔融温度的情况下，具有良好的流动性及较高的闪点。

固体粘滞阻尼器在梳齿板式伸缩装置中的应用。

本发明的具体技术构思包括：

为进一步提高缸杆与弹塑性体的结合牢固度，提高缸杆的结构强度。优选的技术实现手段是，所述的缸杆为一变径杆结构，缸杆上还设有至少一个以上的凸出部。

为实现缸杆在受压及受拉情况下弹塑性体能够较好地发挥作用，缸杆下端距缸体底部的配合间隙大于1mm。

在进一步提高缸杆与弹塑性体结合牢固度及缸杆结构强度的前提下，为便于缸杆的工业化制作，优选的，技术实现手段是，为便于缸杆的工业化制造所述的凸出部沿缸杆的径向设置，凸出部采用盘状、板状、杆状构件中的一种或其结合。

为满足缸杆与弹塑性体之间的配合度，以达到更好的减振降噪效果，优选的技术实现手段是，所述的凸出部埋设于弹塑性体内部。

更进一步，为更好发挥弹塑性体的作用效果，优选的技术实现手段是，所述的凸出部采用位于缸杆底端且沿缸杆径向设置的圆盘状凸出部。

所述的弹塑性体采用改性橡胶、改性硅胶、基于聚硼硅氧烷的凝胶材料、改性沥青中的一种或其结合。上述材料中的改性橡胶、改性硅胶及改性沥青均为现有技术或市售商品，可以采用外购或自行配制的方法获得。

申请人需要说明的是，上述材料中的基于聚硼硅氧烷的凝胶材料属于应变率敏感材料，应变率敏感材料是一种应变率敏感型自适应材料，应变率敏感材料是现有市售商品。其具有优良的应变率敏感性、自适应性、自修复性等独特性能。在聚硼硅氧烷的分子结构中，缺电子的硼原子会从相邻分子中带电子对的氧原子上获得电子，分子之间就形成了决定P4U性质的关键结构——B-O相互作用。这种相互作用在室温条件下会吸收热能活化断裂，所以在不受力时会让材料拥有像橡皮泥一样的形变特性。而遇到高速冲击或高频震动时，因为作用时间比交联键热化断裂的时间短，反而能让分子形成网状结构，展现出减震、高弹性、甚至高弹性-刚性转变等特性。

为便于缸杆与梳齿板式伸缩装置的连接，优选的技术实现手段是，所述的缸杆顶部设有与梳齿板式伸缩装置适配的连接部或接口。

更为优选的技术实现手段是，所述的连接部或接口采用开设于缸杆顶部、且与梳齿板式伸缩装置的活动齿板或固定齿板适配的螺口。

为避免杂物进入缸体，影响弹塑性体的特性及阻尼效果，优选的技术实现手段是，所述的缸体顶部设有与其适配的缸盖，缸杆顶部经缸盖上的开口延伸于外部。

缸体的主要作用是容纳弹塑性体及缸杆，同时为缸杆的变位及转动预留足够的空间，其具体形状可根据需要灵活地选择及设置，优选且可以实现的技术手段包括，所述的缸体可以采用圆柱形、椭圆柱形、正多棱柱形、长方体或正方体形中的一种。

由于梳齿板式伸缩装置的活动齿板较长，且在车辆冲击、温度变化、混凝土收缩及徐变桥梁墩台的沉降和转动等因素作用下容易产生振动，优选的技术实现手段是，固体粘滞阻尼器的缸杆顶端与梳齿板式伸缩装置的活动齿板尾部、或固定齿板尾部、或活动齿板及固定齿板的尾部固定装配，缸筒设置于活动齿板或固定齿板下方并与梁端间隙一侧砼结构中的预埋钢筋固定。

申请人需要说明的是，因为固定齿板的长度较短，在受到车辆冲击等外界因素变化时不易产生振动，因此在实际中可根据需要决定是否安装本申请中的固体粘滞阻尼器。

为便于实现缸筒的固定，优选的技术实现数段是，固体粘滞阻尼器的缸筒外侧固定有锚固件，锚固件与梁端间隙一侧砼结构中的预埋钢筋固定。

更为优选的缸杆与活动齿板或固定齿板的装配方式为，缸杆顶端与活动齿板尾部穿接后通过螺栓紧固。

申请人需要说明的是：

在本发明的描述中，术语“下端”、“底端”、“中部”、“顶部”、“底部”、“径向”、“顶部”“下方”、“顶端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

就申请人了解的范围而言，现有国标或技术规范中未见对于与本申请类似的产品性能进行测试的相关方法，为验证本发明的效果，申请人进行了如下试验，试验过程及结果如下：

1、试验场所：太行山高速邢台段；

2、试验时间：2020年7月6日；

3、参加人员：葛永刚，魏春晶，赵杰，高建华，王飞，郭乐；

4、试验依据：车辆通过梳齿板式伸缩装置，利用加速度传感器测量梳齿板式伸缩缝两侧齿板振动的加速度幅值变化及持续时间进行，加速度通过积分计算可以得到齿板振幅，因此申请人直接测量加速度间接反应振动幅度及振动时间；

5、所用设备及仪器：加速度传感器、连续恒流适配器、笔记本电脑；

6、试验步骤：

(1)选定伸缩量相同的梳齿板式试验伸缩装置两道，伸缩装置A为其他梳齿板伸缩装置，伸缩装置B为本发明中的伸缩装置(设置有固体粘滞阻尼器)；

(2)在伸缩装置A活动齿板两侧安装压电型加速度传感器，用于测量齿板振动加速度，加速度传感器直接放置于活动齿板跨缝两侧，与伸缩缝间隙距离相等，连接恒流适配器，通过数据采集卡输出到电脑，电脑上安装测试面板软件，可以直接读出振动数据；

(3)试验选择整备质量1300kg-2000kg的M1类车辆(车辆分类参见GB/T15089-2001)，以匀速120km/h的速度通过伸缩装置A；

(4)重复试验步骤(2)、(3)，对伸缩装置B进行测量；

(5)通过多次试验，记录车辆通过伸缩装置A、和伸缩装置B时的振动加速度峰值，对比测量结果；

7、试验结果：

通过多次试验，记录车辆通过梳齿板式伸缩装置A、B时的振动加速度峰值，加速度传感器分别设置在活动齿板两侧，一侧为锚固端，另一侧为活动端，试验数据如表1、表2所示，加速度传感器是以1g作为标准加速度单位，1g＝9.8m/s²，1mg等于1/1000g。

分析可以得到采用固体粘滞阻尼器的伸缩装置锚固端和活动端振动情况近似相等，而其他梳齿板伸缩装置活动端振动情况明显大于锚固端，采用固体粘滞阻尼器的伸缩装置在车辆冲击作用后，振动加速度幅值明显低于普通梳齿板伸缩装置的振动加速度幅值，说明采用固体粘滞阻尼器的伸缩装置振幅明显降低。

整个振动过程是一个简支梁的衰减振动，通过对整个振动过程进行数据收集，选择振动加速度值在同一区间所持续时间作为伸缩装置的振动持续时间，因本发明伸缩装置的振动加速度明显小于其他梳齿板伸缩装置的加速度，其他梳齿板伸缩装置的加速度衰减到本发明伸缩装置的水平就需要很长时间，所以振动持续时间无需详细比较，采用固体粘滞阻尼器的伸缩装置振动持续时间明显低于普通梳齿板伸缩装置的振动时间。

表1锚固端振动加速度幅值

表2活动端振动加速度幅值

综上所述，经过对测量数据分析，在同等施工质量及伸缩量的前提下，本发明产品与现有的其他梳齿板伸缩装置对比，在冲击作用下能有效降低齿板振动幅度及振动持续时间，从而达到减振降噪功能。

本发明所具备的实质性特点及所取得的显著技术进步在于：

1、本发明中的固体粘滞阻尼器采用缸筒、弹塑性体及缸杆为主要结构，其整体构造简单，使用及维护方便。因为缸杆四周均填充有弹塑体并有足够的活动间隙，对于缸杆传递而来的竖向冲击荷载，弹塑性体会表现为刚性，限制缸杆向上或向下移动，同时因为本身的弹性体结构，有效降低齿板因冲击产生的振动，同时降低噪音。对于梁体的正常变位及转动，弹塑性体表现为柔性，会缓慢适应这种变形要求，从而有效实现弹性及塑性的转变。

2、固体粘滞阻尼器可实现减振降噪功能，其设置在活动齿板或固定齿板下方，车辆冲击时固体粘滞阻尼器中弹塑性体的弹性功能发挥作用，弹塑性体变成刚性构件抵抗冲击作用，以减少齿板振动对砼结构造成的冲击损坏，提高司乘人员的驾乘舒适性，延长伸缩装置的维护周期；当冲击过后，齿板会持续振动产生噪音，此时弹塑性体的塑性功能发挥作用，弹塑性体变成柔性构件，增加阻尼降低振动及噪音。

3、凸出部的结构设计，在有效增加缸杆强度的同时，增加了缸杆与弹塑性体的配合度，有效避免缸杆从弹塑性体中受力脱出，在充分发挥弹塑性体作用的同时确保了阻尼器的运行稳定性。

4、弹塑性体填充于缸杆四周的缸体内并有足够的活动间隙，缓慢压缩弹塑性体可以实现各方向的移动及转动，可以实现梁端任意变位要求；弹塑性体的选择及来源广泛，可以根据工程实际需要灵活外购或自行配制，便于使用及维护更换。

5、缸盖的结构设计，可有效避免外界杂物进入缸体，为缸体内的弹塑性体提供相对密闭的工作环境，提高其使用寿命，延长阻尼器的维护周期。

附图说明

本发明的附图有：

图1是装配缸盖且不含弹塑性体的固体粘滞阻尼器立体结构示意图。

图2是图1中固体粘滞阻尼器装有弹塑性体的立体结构示意图。

图3是图2中固体粘滞阻尼器去掉缸盖后的立体结构示意图。

图4是图2中固体粘滞阻尼器的平面结构示意图。

图5是粘滞阻尼器与梳齿板伸缩装置的装配结构示意图。

图6A是装配有本发明的固体粘滞阻尼器的伸缩装置在一侧梁体发生沉降后的结构示意图。

图6B是图6A中的伸缩装置在收到车辆冲击时活动齿板的变化示意图。

图7A是装配有本发明的固体粘滞阻尼器的伸缩装置在一侧梁体端部发生转动后的结构示意图。

图7B是图7A中的伸缩装置在收到车辆冲击时活动齿板的变化示意图。

附图中的附图标记如下：

1、活动齿板；2、固定齿板；3A、缸杆；3B、缸体；3C、弹塑性体；3D、凸出部；3E、缸盖；4、锚固杆；5、梁端间隙；6、锚固件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步描述，但不作为对本发明的限定。本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书做出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范畴。

本实施例的整体结构如图示，其中固体粘滞阻尼器，包括下端封闭且顶端开口的缸体3B，沿纵向设置于缸体3B内的缸杆3A，所述的缸体3B内设有弹塑性体3C，缸杆3A中部及下端埋设于弹塑性体3C内且其下端与缸体3B底部设有配合间隙。

本实施例中涉及的弹塑性体从制作材质而言应具备足够的弹性和塑性；要有足够的黏着性、防水性；较高的变形能力和较低的抗压应力；较高的软化点及足够低的脆性温度；在高于熔融温度的情况下，具有良好的流动性及较高的闪点。

所述的缸杆3A为一变径杆结构，缸杆3A上还设有至少一个以上的凸出部3D。所述的凸出部3D采用位于缸杆3A底端且沿缸杆3A径向设置的圆盘状凸出部。

缸杆3A下端距缸体3B底部的配合间隙大于1mm。

所述的凸出部3D埋设于弹塑性体3C内部。

所述的弹塑性体3C采用改性橡胶、改性硅胶、基于聚硼硅氧烷的凝胶材料、改性沥青中的一种或其结合。上述材料中的改性橡胶、改性硅胶及改性沥青均为现有技术或市售商品，可以采用外购或自行配制的方法获得。

所述的缸杆3A顶部设有与梳齿板式伸缩装置适配的连接部或接口，所述的连接部或接口采用开设于缸杆3A顶部、且与梳齿板式伸缩装置的活动齿板1适配的螺口。

所述的缸体3B顶部设有与其适配的缸盖3E，缸杆3A顶部经缸盖3E上的开口延伸于外部。

所述的缸体3B采用圆柱形。

本实施例在梳齿板伸缩装置中的具体应用如下：

固体粘滞阻尼器的缸杆3A顶端与梳齿板式伸缩装置的活动齿板1尾部固定装配，缸筒3B设置于活动齿板1下方并与梁端间隙5一侧砼结构中的预埋钢筋固定。

固体粘滞阻尼器的缸筒3B外侧固定有锚固件6，锚固件6与梁端间隙5一侧砼结构中的预埋钢筋固定，缸杆3A顶端与活动齿板1尾部穿接后通过螺栓紧固。锚固杆4上端与固定齿板2下表面固定，锚固杆4下端与梁端间隙5另一侧砼结构中的预埋钢筋固定。

从图6可见，当一侧梁体发生沉降后，活动齿板1整体升高(如图6A)A当车辆通过冲击时活动齿板在车辆通过时，弹塑体3C表现出刚性体的弹性特性，活动齿板1下降幅度小且不会对其下部的砼结构形成冲击(如图6B)，车辆通过后，弹塑体3C表现出塑刚性体的塑性特性，可减小振动及噪音，缓慢复原并带动活动齿板复原。

从图7可见，当一侧梁体端部发生转动后，活动齿板1首部升高(如图7A)A当车辆通过冲击时活动齿板在车辆通过时，弹塑体3C表现出刚性体的弹性特性，活动齿板1下降幅度小且不会对其下部的砼结构形成冲击(如图6B)，车辆通过后，弹塑体3C表现出塑刚性体的塑性特性，可减小振动及噪音，缓慢复原并带动活动齿板复原。

Claims (15)

1.固体粘滞阻尼器，包括下端封闭且顶端开口的缸体(3B)，沿纵向设置于缸体(3B)内的缸杆(3A)，其特征在于所述的缸体(3B)内设有弹塑性体(3C)，缸杆(3A)中部及下端埋设于弹塑性体(3C)内且其下端与缸体(3B)底部设有配合间隙。

2.根据权利要求1所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的缸杆(3A)为一变径杆结构，缸杆(3A)上还设有至少一个以上的凸出部(3D)。

3.根据权利要求1所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于缸杆(3A)下端距缸体(3B)底部的配合间隙大于1mm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的凸出部(3D)沿缸杆(3A)的径向设置，凸出部(3D)采用盘状、板状、杆状构件中的一种或其结合。

5.根据权利要求4所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的凸出部(3D)埋设于弹塑性体(3C)内部。

6.根据权利要求4所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的凸出部(3D)采用位于缸杆(3A)底端且沿缸杆(3A)径向设置的圆盘状凸出部。

7.根据权利要求1所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的弹塑性体(3C)采用改性橡胶、改性硅胶、基于聚硼硅氧烷的凝胶材料、改性沥青中的一种或其结合。

8.根据权利要求1所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的缸杆(3A)顶部设有与梳齿板式伸缩装置适配的连接部或接口。

9.根据权利要求8所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的连接部或接口采用开设于缸杆(3A)顶部、且与梳齿板式伸缩装置的活动齿板(1)或固定齿板(2)适配的螺口。

10.根据权利要求1所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的缸体(3B)顶部设有与其适配的缸盖(3E)，缸杆(3A)顶部经缸盖(3E)上的开口延伸于外部。

11.根据权利要求1所述的固体粘滞阻尼器，其特征在于所述的缸体(3B)可以采用圆柱形、椭圆柱形、正多棱柱形、长方体或正方体形中的一种。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的固体粘滞阻尼器在梳齿板式伸缩装置中的应用。

13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于固体粘滞阻尼器的缸杆(3A)顶端与梳齿板式伸缩装置的活动齿板(1)尾部、或固定齿板(2)尾部、或活动齿板(1)及固定齿板(2)的尾部固定装配，缸筒(3B)设置于活动齿板(1)或固定齿板(2)下方并与梁端间隙(5)一侧砼结构中的预埋钢筋固定。

14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于固体粘滞阻尼器的缸筒(3B)外侧固定有锚固件(6)，锚固件(6)与梁端间隙(5)一侧砼结构中的预埋钢筋固定。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的应用，其特征在于缸杆(3A)顶端与活动齿板(1)或固定齿板(2)尾部穿接后通过螺栓紧固。

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