CN112524196B - 一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置，包括预埋钢板、金属梳齿板、电涡流消能减振机构和磁屏蔽机构。电涡流消能减振机构包括永磁组件和导体板；在金属梳齿板的每个梳齿底部各安装一个永磁组件；每个永磁组件均包括若干个极性交互排列的永磁体；导体板安装在永磁组件正下方的伸缩缝中；磁屏蔽机构用于隔磁。本发明基于电涡流效应，永磁铁交错固定在金属梳齿板底部，并随桥梁振动发生相对位移时，导体板因切割磁感线而产生电涡流，导体板内产生相反的阻尼力，以减弱主梁的振动响应，并能通过电阻热效应消耗桥梁振动的能量，最终达到消能减振的作用。同时，还能对车辆、强风、地震等动力荷载引起的桥梁振动及平面内偏转予以有效控制。

Description

一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置
技术领域
本发明涉及桥梁工程领域，特别是一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置。
背景技术
伸缩缝是桥梁的重要连接结构之一，其主要功能是实现桥梁与桥梁或桥梁与桥台间的连接，保证桥梁沿顺桥向的整体性与平顺性。同时，伸缩缝可有效适应桥梁结构在温度、车辆等外部环境影响下所产生的变形，有效保障了桥梁在长期服役过程中的基本功能以及车辆行驶通过桥梁交界处的平稳性与安全性。然而，由于伸缩缝长期暴露在自然环境中，并直接承受车辆荷载的冲击作用，其极易发生破坏与损伤，从而严重影响桥面车辆行驶的舒适性。此外，伸缩缝的破坏与损伤可进一步增大车辆对伸缩缝的冲击作用，进而加剧伸缩缝的损坏，并可能造成桥梁连接部位产生损伤。因此，在桥梁的服役过程中，常常需对伸缩缝进行检修与更换，这便显著提高了桥梁的运营与维护成本。
研究表明，桥梁累计纵向位移过大及桥梁平面不规则扭转常常导致伸缩缝的组件在未达到设计使用年限时便提前发生损坏，这是在桥梁服役过程中伸缩缝损坏的主要原因。目前，对伸缩缝损坏的处理方法是先维修后更换，但该处理方法必然导致交通临时受阻，且无法从根本上解决桥梁累计位移过大的问题。为解决上述问题，很多大跨度桥梁在伸缩缝装置处增设了粘滞阻尼器。该阻尼器由缸体、粘滞液体、活塞、活塞杆、阻尼材料腔、密封端套、密封环等部件组成，在振动控制方面具有较好的效果。然而，由于阻尼器内封装有粘滞液体，其对密封性以及环境温度的要求较高。此外，粘滞阻尼器的启动需先克服较大的摩阻力，制约了粘滞阻尼器对桥梁纵向位移的控制效果。
与粘滞阻尼器相比，近年来新兴的电涡流阻尼器具有更好的适用性。电涡流阻尼器的基本原理为：导体切割磁感线时会在导体内产生电涡流，电涡流在导体内的电阻热效应可有效消耗结构振动所产生的能量。同时，电涡流将产生与原始磁场相反的新磁场，使导体受到与运动方向相反的阻尼力作用，从而起到抑制导体运动的效果。基于该原理，电涡流阻尼器具有结构简单、非接触、无需工作介质、寿命长及刚度与阻尼可控等特点，且不存在摩擦耗材、密封和漏油等问题，具有较优的可靠性和耐久性。此外，与粘滞阻尼器相比，电涡流阻尼器的启动无需克服较大的摩阻力，因而可更为方便地发挥阻尼器的消能减振效果。因此，将传统伸缩缝装置与电涡流阻尼器相结合，可有效延长伸缩缝的使用寿命，保障伸缩缝在长期服役过程中的基本使用功能；同时，也使得伸缩缝具备较好的消能减振的效果，对车辆、强风、地震等动力荷载引起的桥梁振动及桥梁平面内偏转可予以有效控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置，该电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置基于电涡流效应，将永磁铁交错固定在金属梳齿板底，永磁铁随桥梁振动发生相对位移时，导体板因切割磁感线而产生电涡流，导体板内则产生一种与导体板运动相反的阻尼力，以减弱主梁的振动响应。导体板内产生的电涡流进一步可通过电阻热效应消耗桥梁振动的能量，最终达到消能减振的作用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置，包括预埋钢板、金属梳齿板、电涡流消能减振机构和磁屏蔽机构。
预埋钢板预埋在伸缩缝两侧的主梁中。
金属梳齿板的数量为两块，两块金属梳齿板的梳齿相互插接配合，两块金属梳齿板的梳柄分别螺纹连接在对应的预埋钢板顶部。
电涡流消能减振机构包括永磁组件和导体板。
在每块金属梳齿板的每个梳齿底部各安装一个永磁组件。每个永磁组件均包括若干个极性交互排列的永磁体。
导体板安装在永磁组件正下方的伸缩缝中，且横向和竖向位置均固定。
磁屏蔽机构将永磁组件和导体板包覆在内，用于隔磁。
每块预埋钢板均包括位于顶部的横向预埋板和邻近伸缩缝的竖向预埋板。
在每个永磁组件和对应竖向预埋板之间的伸缩缝内各设置一个梳齿支撑架。梳齿支撑架螺纹连接在对应的金属梳齿板底部，梳齿支撑架的两端分别与永磁组件和竖向预埋板相贴合。
每个梳齿支撑架的形状均为变截面工字型，靠近永磁组件的腹板高小于靠近竖向预埋板的腹板高。
每个永磁组件均还包括固定架和磁铁固定杆。固定架为开口朝下的U型结构，且螺纹连接在对应梳齿底部。若干个永磁铁呈极性交互式排列在固定架的U型腔内，磁铁固定杆用于将每个永磁体和固定架相连接。
伸缩缝两侧的主梁均通过橡胶支座安装在桥梁的墩柱上。导体板通过导体板固定支架安装在墩柱上。
每块预埋钢板均与对应主梁内的钢板锚固件相连接。
磁屏蔽机构包括上导磁板、下导磁板和两块侧导磁板；上导磁板安装在横向预埋板和金属梳齿板之间；下导磁板安装在导体板底部；两块侧导磁板分别安装在两块竖向预埋板上。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明基于电涡流效应，将永磁铁交错固定在金属梳齿板底，永磁铁随桥梁振动发生相对位移时，导体板因切割磁感线而产生电涡流，导体板内则产生一种与导体板运动相反的阻尼力，以减弱主梁的振动响应。
2、导体板内产生的电涡流进一步可通过电阻热效应消耗桥梁振动的能量，最终达到消能减振的作用。
3、本发明具有安装简单、使用便捷等优点，在保证桥梁伸缩缝基本功能的同时，又可对车辆、强风、地震等动力荷载引起的桥梁振动以及桥梁平面内偏转予以有效控制。
附图说明
图1显示了本发明一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置的结构示意图。
图2显示了图1中I-I截面剖面图。
图3显示了图1中金属梳齿板仰视图。
图4显示了图2中永磁铁的固定示意图。
图5显示了图2中梳齿支撑架示意图。
图6显示了图2中导体板安装示意图。
图7显示了本发明振动控制示意图。
图8显示了本发明偏转控制示意图。
其中有：
11.墩柱；111.橡胶支座；12.左侧主梁；13.右侧主梁；14.伸缩缝；
21.左预埋钢板；211.钢板锚固件；22.右预埋钢板；
30.金属梳齿板；31.左金属梳齿板；311.梳齿板固定螺栓；32.右金属梳齿板；33.梳齿支撑架；331.支撑架固定螺栓；
41.固定架；411.固定架固定螺栓；42.永磁铁；43.导体板；431.导体板固定支架；432.导体板固定螺栓；433.支架固定螺栓；
51.上导磁板；52.侧导磁板；521.侧导磁板固定螺栓；53.下导磁板；531.下导磁板固定螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图2所示，本实施例所涉及的桥梁，优选包括墩柱11和两主梁。两主梁分别为左侧主梁12和右侧主梁13，两主梁底部分别通过橡胶支座111安装在墩柱顶部，两主梁之间的空间形成为伸缩缝14。橡胶支座的设置，保证主梁在外力作用下产生位移，以适应温度作用下主梁的变形。
如图1和图2所示，一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置，包括预埋钢板、金属梳齿板30、电涡流消能减振机构和磁屏蔽机构。
预埋钢板预埋在伸缩缝两侧的主梁中，其中预埋在左侧主梁中的预埋钢板称为左预埋钢板21，预埋在右侧主梁中的预埋钢板称为右预埋钢板22。
本发明中，左预埋钢板和右预埋钢板均包括均一体设置的限位竖板、横向预埋钢板和竖向预埋钢板。
其中，横向预埋板水平预埋在对应主梁顶部，限位竖板的底端垂直连接在背离伸缩缝的横向预埋板端部，且限位竖板顶部优选与对应主梁顶面相齐平；竖向预埋钢板的顶端垂直连接在接近伸缩缝的横向预埋板端部。本实施例中，部分竖向预埋钢板裸露在伸缩缝中。
横向预埋钢板和竖向预埋钢板均优选通过位于对应主梁内的钢板锚固件211相锚接，其中，钢板锚固件211优选呈树杈型预埋在对应主梁内，以保证预埋钢板在车辆冲击及风振等多种因素影响下预埋钢板和桥梁的整体性。
金属梳齿板的数量为两块，分别为左金属梳齿板31和右金属梳齿板32。
如图3所示，左金属梳齿板31和右金属梳齿板32的梳齿相互插接配合，两块金属梳齿板的梳柄分别通过梳齿板固定螺栓311螺纹连接在对应的预埋钢板顶部。
电涡流消能减振机构包括永磁组件和导体板43。
在每块金属梳齿板的每个梳齿底部各安装一个永磁组件，每个永磁组件均包括固定架41、永磁体42和磁铁固定杆421。
如图4所示，固定架优选为开口朝下的U型结构，固定架的两侧端面上优选设置有固定杆孔。
若干个永磁铁呈极性交互式排列在固定架的U型腔内，每个永磁体均优选呈矩形，均优选设置有贯通孔。永磁体横向（也即横桥向）与固定架同宽，固定架的宽度则根据金属梳齿板的梳齿宽度决定，要求能覆盖所有梳齿。永磁体的纵向（也即沿桥向）为固定架U型腔长的6/1~1/10。磁铁固定杆依次穿过固定杆孔和每个贯通孔后，将每个永磁体和固定架相串接。磁铁固定杆优选为螺栓或插销。
每个固定架均优选采用固定架固定螺栓螺纹连接在对应梳齿底部，进而使得永磁体与金属梳齿板运动相一致。
导体板安装在永磁组件正下方的伸缩缝中，且横向和竖向位置均固定。具体优选安装方式为：导体板通过导体板固定支架431安装在墩柱11上。
导体板的高度，可根据桥梁位移分析选择合适的距离，以提供合适的阻尼力。
如图6所示，导体板侧翼预留螺栓孔，通过导体板固定螺栓432与导体板固定支架螺纹连接，导体板固定支架通过支架固定螺栓433螺纹连接在墩柱上，采用螺栓的方式便于施工时安装和维修更换。
在每个永磁组件和对应竖向预埋板之间的伸缩缝内各设置一个梳齿支撑架33。梳齿支撑架优选通过支撑架固定螺栓331螺纹连接在对应的金属梳齿板底部，梳齿支撑架的两端分别与永磁组件中的固定架和竖向预埋板相贴合。梳齿支撑架33提高金属梳齿板的的刚度，保证其在外荷载作用下不变形。
如图5所示，每个梳齿支撑架的形状均优选为变截面工字型，靠近永磁组件的腹板高小于靠近竖向预埋板的腹板高。
磁屏蔽机构将永磁组件和导体板包覆在内，用于隔磁，避免磁场对其他装置及外界环境的影响。
磁屏蔽机构包括上导磁板51、下导磁板53和两块侧导磁板52。
上导磁板安装在横向预埋板和金属梳齿板之间，上导磁板的形状优选与金属梳齿板的形状相一致，并优选采用梳齿板固定螺栓311，将螺纹连接在对应的预埋钢板顶部，进而保证桥梁桥面纵向的整体性。
下导磁板优选通过下导磁板固定螺栓531螺纹连接在导体板底部，且位于导体板固定支架上方。
两块侧导磁板优选与竖向预埋钢板形状相一致，分别优选通过侧导磁板固定螺栓521螺纹连接在两块竖向预埋板上。
当桥梁由于行车、强风及地震等原因发生振动时，桥梁的上部结构相对于桥梁的墩柱会产生较大的相对位移|Δx 0|以及偏转角|Δα 0|，在持续的动荷载作用下，将会产生碰撞、偏移及落梁等威胁桥梁安全的情况。然而，本发明在伸缩缝技术中融入电涡流阻尼器技术，在整个横桥向均布永磁铁，形成电涡流阻尼器带，致使电涡流效应能贯穿整个伸缩缝。当桥梁发生在上述动荷载作用下发生振动时，金属梳齿板与导体板将作相对运动，导体板切割磁感线产生电涡流，由于电阻热效应及电涡流形成相反磁场阻碍梳齿盖板移动，使得产生的相对位移|Δx|<|Δx 0|/2和偏转角|Δα|<|Δα 0|/2，致使该伸缩缝装置达到减振耗能的效果，如图7和图8所示。在上述效果下，一方面可以有效避免发生碰撞、偏移及落梁等不利情况，提高桥梁安全性，另一方面可便于后续偏位调整工作，降低维护成本，提高桥梁使用寿命。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置，其特征在于：包括预埋钢板、金属梳齿板、电涡流消能减振机构和磁屏蔽机构；
预埋钢板预埋在伸缩缝两侧的主梁中；每块预埋钢板均包括位于顶部的横向预埋板和邻近伸缩缝的竖向预埋板；每块预埋钢板均与对应主梁内的钢板锚固件相连接；
金属梳齿板的数量为两块，两块金属梳齿板的梳齿相互插接配合，两块金属梳齿板的梳柄分别螺纹连接在对应的预埋钢板顶部；
电涡流消能减振机构包括永磁组件和导体板；
在每块金属梳齿板的每个梳齿底部各安装一个永磁组件；每个永磁组件均包括若干个极性交互排列的永磁体；
导体板安装在永磁组件正下方的伸缩缝中，且横向和竖向位置均固定；
磁屏蔽机构将永磁组件和导体板包覆在内，用于隔磁；
在每个永磁组件和对应竖向预埋板之间的伸缩缝内各设置一个梳齿支撑架；梳齿支撑架螺纹连接在对应的金属梳齿板底部，梳齿支撑架的两端分别与永磁组件和竖向预埋板相贴合；每个梳齿支撑架的形状均为变截面工字型，靠近永磁组件的腹板高小于靠近竖向预埋板的腹板高；
当桥梁由于行车、强风及地震发生振动时，桥梁的上部结构相对于桥梁的墩柱会产生相对位移|Δx 0|以及偏转角|Δα 0|，由于在伸缩缝技术中融入电涡流阻尼器技术，在整个横桥向均布永磁铁，形成电涡流阻尼器带，致使电涡流效应能贯穿整个伸缩缝；当桥梁在持续动荷载作用下发生振动时，金属梳齿板与导体板将作相对运动，导体板切割磁感线产生电涡流，由于电阻热效应及电涡流形成相反磁场阻碍梳齿盖板移动，使得产生的相对位移|Δx|<|Δx 0|/2和偏转角|Δα|<|Δα 0|/2，从而达到减振耗能的效果。
2.根据权利要求1所述的电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置，其特征在于：每个永磁组件均还包括固定架和磁铁固定杆；固定架为开口朝下的U型结构，且螺纹连接在对应梳齿底部；若干个永磁铁呈极性交互式排列在固定架的U型腔内，磁铁固定杆用于将每个永磁体和固定架相连接。
3.根据权利要求1所述的电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置，其特征在于：伸缩缝两侧的主梁均通过橡胶支座安装在桥梁的墩柱上；导体板通过导体板固定支架安装在墩柱上。
4.根据权利要求1所述的电涡流消能减振型桥梁伸缩缝装置，其特征在于：磁屏蔽机构包括上导磁板、下导磁板和两块侧导磁板；上导磁板安装在横向预埋板和金属梳齿板之间；下导磁板安装在导体板底部；两块侧导磁板分别安装在两块竖向预埋板上。
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