CN112943835B - 一种具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，该阻尼器包括缸体、活塞杆、活塞组件、限位弹性装置等结构，在设计运动行程内的不同运动速度区间具有不同本构关系，实现多阶段减振消能作用，有效降低桥梁在车辆、脉动风、地震等外部动载作用下的响应；当平均纵风、温度荷载、恒载等静载组合引起的梁端位移过大，超过多阶段位移控制型阻尼器的设计运动行程后，其发挥弹性限位功能，限制梁端位移进一步的增大。本发明的智能监测评估系统可实时反馈多阶段位移控制型阻尼器的性能状态。本发明不仅可满足桥梁复杂的静动力需求，而且能够自动反馈本身的性能状态，并可间接反映桥梁运行情况，为桥梁养护方案的制定提供可靠依据。

Description

一种具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器
技术领域
本发明涉及耗能减振装置技术领域，具体涉及一种具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器。
背景技术
桥梁减震设计，即通过采用减震消能装置，提供附加阻尼，降低桥梁在地震作用下的内力、位移响应。桥梁工程中常用的减震消能装置有粘滞阻尼器、金属阻尼器、粘弹性阻尼器等。粘滞阻尼器由于具有耗能能力强、性能稳定、不引入主梁温度应力、震后无需更换等优点，因此在桥梁减震设计中应用最为广泛。大跨度桥梁主梁、桥塔之间设置粘滞阻尼器是控制地震作用等动荷载反应的理想途径，使动荷载产生的能量得到耗散，降低结构响应。但是目前常规粘滞阻尼器还存在以下问题：
(1)大跨度桥梁在平均纵风、温度荷载、恒载等静载组合作用下，主梁位移通常会很大，经常需要另外加设限位装置。通常情况下，当限位装置和粘滞阻尼器分别设置在桥梁上时，其安装空间受限，导致安装以及后期的管理较难。
(2)大跨度桥梁在行车荷载作用下主梁梁端产生明显的纵向位移，只要桥上有车辆行驶，主梁将不间断地纵向往复振动，将这种振动简称为“车致振动”。不同于地震作用，车致振动具有速度低、幅值较小的特点，粘滞阻尼器属于速度相关型阻尼器，低速作用下输出的阻尼力通常较小，对车致振动控制效果较差，从而使得梁端产生较大的累计位移。有监测数据显示，一些大跨度桥梁在车辆荷载作用下每年梁端累计位移达数十公里，这对伸缩缝、支座滑动部件以及阻尼器密封件的使用寿命提出了巨大的挑战，其耐久性通常较差。
(3)粘滞阻尼器属于密闭缸体结构，其密封装置、活塞组件、阻尼介质等都设置于缸体内部，仅从其外观无法准确判断其内部的工作状态与性能劣化情况，只有发生明显的漏油时才能评定其消能减振作用的完全丧失，给桥梁安全带来较大的不确定性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，其具有多阶段减振消能作用，既能有效降低大跨度桥梁在车辆、脉动风、地震作用等外部动载下的响应，又能限制平均纵风、温度荷载、恒载等静载组合下梁端的纵向位移；且能够自动反馈评估其本身的性能状态，并可间接反映桥梁运行情况，为桥梁养护方案的制定提供可靠依据。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，包括多阶段位移控制型阻尼器和智能检测评估系统；
所述多阶段位移控制型阻尼器包括筒状缸体(5)、设置在所述缸体(5)两端的密封盖板(3)、以及贯穿所述缸体(5)的活塞杆(2)，所述密封盖板(3)内测分别设置一限位弹性装置(4)，所述限位弹性装置(4)之间填充阻尼介质(7)并设置一活塞组件(6)，所述活塞杆(2)贯穿所述密封盖板(3)、限位弹性装置(4)及活塞组件(6)并延伸至所述缸体(5)外部，所述活塞杆(2)的一端连接耳板(1)，所述缸体(5)相对的另一端设置连接筒(8)及与所述连接筒(8)连接的耳板(1)；
所述智能检测评估系统包括阻尼器数据采集模块、分析评估模块及客户端；
所述阻尼器数据采集模块用于监测多阶段位移控制型阻尼器的位移、腔体压强及阻尼介质温度，将监测数据保存并传输至所述分析评估模块；
所述分析评估模块用于根据监测数据计算多阶段位移控制型阻尼器的输出阻尼力、运动速度、累计位移参数，并根据设计指标对多阶段位移控制型阻尼器进行定量评估；
所述客户端用于实时显示多阶段位移控制型阻尼器的性能指标，能够自动反馈本身的服役状态。
进一步地，所述活塞组件设置有节流小孔和多个单向液压阀，所述单向液压阀包括允许阻尼介质从左腔体流向右腔体的左单向液压阀和允许阻尼介质从右腔体流向左腔体的右单向液压阀，所述左单向液压阀和右单向液压阀数量相等且呈依次间隔环形排列。
进一步地，所述左单向液压阀和右单向液压阀均设置启动压力Pci，i＝1～n，n为正整数，Pc1～Pcn呈非线性增大，且当腔体内压力大于Pci时，第i个单向液压阀门开启，允许阻尼介质流过。
进一步地，在设计运动行程范围内设置不同运动速度区间，具体包括：
由温度作用引起的梁端运动，记为低速运动；
由车辆、脉动风引起的梁端往复运动，记为中速运动；
由地震引起的主梁往复运动，记为快速运动。
进一步地，所述不同运动速度区间的本构关系为：
Figure BDA0002929926970000031
其中，Fc为中速运动区间内的输出荷载值；u为运动位移；
Figure BDA0002929926970000032
为运动速度值；dx为阻尼器的设计运动行程；k为超过设计运动行程后的限位刚度值；C为快速运动区间内的阻尼系数；α快速运动区间内的速度指数；Vt为低速运动速度；Vc为中速运动速度；VD为快速运动速度。
进一步地，所述限位弹性装置为碟形弹簧、螺旋弹簧、钢板弹簧、环形弹簧、橡胶弹簧、聚氨酯弹性体弹簧、液压弹簧中任意一个或多个弹簧的复合体。
进一步地，所述阻尼器数据采集模块包括设置在多阶段位移控制型阻尼器上的压力传感器、温度传感器和位移传感器，以及与各个传感器连接的数据采集仪；所述压力传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的左腔体和右腔体的压强数据，所述温度传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的左腔体和右腔体中阻尼介质的温度数据，所述位移传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的位移数据，所述数据采集仪用于采集压力传感器、温度传感器和位移传感器的监测数据，将监测数据保存并传输至所述分析评估模块。
进一步地，所述分析评估模块包括数据处理器和存储于所述数据处理器的数据分析程序，用于对数据采集模块传输的监测数据进行处理，计算多阶段位移控制型阻尼器的输出阻尼力、运动速度、累计位移参数，并根据设计指标对多阶段位移控制型阻尼器进行定量评估。
进一步地，所述客户端包括可移动显示器和存储于所述可移动显示器的智能软件，用于实时显示多阶段位移控制型阻尼器的性能指标，能够自动反馈本身的服役状态。
本发明具有以下有益效果：
(1)同时改善桥梁的静动力性能：智能型多功能阻尼器其具有多阶段减振消能作用，既能有效降低桥梁在车辆通过、脉动风、地震作用等外部动载下的响应，又能限制平均纵风、温度荷载、恒载等静载组合下过大的梁端纵向位移，改善下部结构受力，降低基础规模和伸缩缝规模。
(2)耗能效率高，耐久性好：车辆通过、脉动风等外部荷载下，梁端的往复位移速度较小，但智能型多功能阻尼器的荷载输出可维持在较高水平，其耗能曲线更加饱满，可更好的限制梁端的往复运动，明显降低梁端累计位移，智能型多功能阻尼器的磨损距离显著降低，延缓左、右密闭腔体的密封性能劣化，使其耐久性更好。另外，梁端累计位移的降低，伸缩缝滑动部件、支座滑动部件的磨损也会降低，伸缩缝、滑动支座的耐久性也得到提高。
(3)实时显示自身工作状态，使桥梁的运营更加可靠：智能化多阶段位移控制型阻尼器可定量化评估输出其服役性能状态，并可间接反映桥梁运行情况，为桥梁养护方案的制定提供可靠依据。
(4)经济效益好：有效降低基础规模和伸缩缝规模，可节省桥梁的建造成本；阻尼装置本身、伸缩缝、滑动支座的耐久性更好，可节省大跨度桥梁的运维成本。
附图说明
图1为本发明的具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器结构示意图；
图2为本发明实施例中多阶段位移控制型阻尼器的结构示意图；
图3为本发明实施例中活塞组件的结构示意图；
图4为本发明实施例中活塞组件的剖面结构示意图。
其中附图标记为：耳板1、活塞杆2、密封盖板3、限位弹性装置4、缸体5、活塞组件6、阻尼介质7、连接筒8、节流小孔61、左单向液压阀63、右单向液压阀62。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，包括多阶段位移控制型阻尼器和智能检测评估系统；
多阶段位移控制型阻尼器，包括筒状缸体5、设置在缸体5两端的密封盖板3、以及贯穿缸体5的活塞杆2，密封盖板3内测分别设置一限位弹性装置4，限位弹性装置4之间填充阻尼介质7并设置一活塞组件6，活塞杆2贯穿密封盖板3、限位弹性装置4及活塞组件6并延伸至缸体5外部，活塞杆2的一端连接耳板1，缸体5相对的另一端设置连接筒8及与连接筒8连接的耳板1。
智能检测评估系统，包括阻尼器数据采集模块、分析评估模块及客户端；
其中阻尼器数据采集模块用于监测多阶段位移控制型阻尼器的位移、腔体压强及阻尼介质温度，将监测数据保存并传输至所述分析评估模块；
分析评估模块用于根据监测数据计算多阶段位移控制型阻尼器的输出阻尼力、运动速度、累计位移参数，并根据设计指标对多阶段位移控制型阻尼器进行定量评估；
客户端用于实时显示多阶段位移控制型阻尼器的性能指标，能够自动反馈本身的服役状态。
在本实施例中，多阶段位移控制型阻尼器的活塞组件6将缸体5内部分为左右两个密闭的腔体，腔体中充满阻尼介质7，左腔体的左端、右腔体的右端分别设置限位弹性装置4。在多阶段位移控制型阻尼器设计运动行程内，活塞杆2可牵引活塞组件6在腔体内运动，形成阻尼并耗散能量；超过设计运动行程后，活塞组件6会与限位弹性装置4接触，活塞杆2的进一步运动受到限制。
在本实施例中，活塞组件6设置有节流小孔61和多个单向液压阀，单向液压阀包括允许阻尼介质从左腔体流向右腔体的左单向液压阀63和允许阻尼介质从右腔体流向左腔体的右单向液压阀62，左单向液压阀63和右单向液压阀62数量相等且呈依次间隔环形排列。
具体而言，如图3和图4所示，活塞组件6上设置有2个节流小孔61和12个单向液压阀。其中12个单向液压阀分为两部分：允许阻尼介质从左腔体流向右腔体的6个左单向液压阀62(记为621、622······626)和允许阻尼介质从右腔体流向左腔体的6个右单向液压阀63(记为631、632······636)。
左单向液压阀62和右单向液压阀63均设置启动压力Pci，i＝1～6，Pc1～Pc6呈非线性增大，且当腔体内压力大于Pci时，第i个单向液压阀门开启，允许阻尼介质7流过。
在本实施例中，多阶段位移控制型阻尼器在设计运动行程范围(±dx)内设置不同运动速度区间，具体包括：
由温度作用引起的梁端运动，一般情况下其速度Vt很小，记为低速运动；
由车辆、脉动风引起的梁端往复运动，一般情况下其速度Vc较小，记为中速运动；
由地震引起的主梁往复运动，其速度VD一般较大，记为快速运动。
以上三个运动速度区间的具体范围可根据桥梁结构的有限元分析、检测监测等手段得出。
多阶段位移控制型阻尼器在不同行程范围内的不同运动速度区间的本构关系为：
Figure BDA0002929926970000081
其中，Fc为中速运动区间内的输出荷载值；u为运动位移；
Figure BDA0002929926970000082
为运动速度值；dx为阻尼器的设计运动行程；k为超过设计运动行程后的限位刚度值；C为快速运动区间内的阻尼系数；α快速运动区间内的速度指数，0.2≤α≤1.0；Vt为低速运动速度；Vc为中速运动速度；VD为快速运动速度。对于低速运动，多功能阻尼装置输出的阻尼力较小，小于设计最大阻尼力Fmax的10％，进行计算时通常可忽略。
在所述多阶段位移控制型阻尼器设计运动行程内，不同运动速度区间，其本构关系不同，可发挥多阶段减振(震)消能作用，有效降低桥梁在车辆、脉动风、地震等外部动载作用下的响应；当平均纵风、温度荷载、恒载等静载组合引起的梁端位移很大，超过多阶段位移控制型阻尼器的设计运动行程后，其发挥弹性限位功能，防止梁端纵向位移过大。
在低速(Vt)运动区间内，阻尼介质7可慢速流过活塞组件6上的节流小孔61，左右腔体压强差很低，左单向液压阀62和右单向液压阀63不开启，此时几乎不产生阻尼力，所以温度作用下多阶段位移控制型阻尼器不影响主梁的自由伸缩。
在中速(Vc)运动区间内，阻尼介质7被迫快速流过活塞组件上的节流小孔61，左右腔体压强差增大到Pc1，第1个单向液压阀(即621、631)开启，且随着运动速度的变化，第1个单向液压阀开启的程度发生变化，使得左右腔体压强差维持在Pc1附近，此时产生相对恒定的阻尼力Fc，考虑到活塞组件6的运动方向，其输出的阻尼力为
Figure BDA0002929926970000091
即使速度较小时阻尼力仍维持在较高水平，耗能曲线更加饱满，所以车辆、脉动风等外部荷载下，多阶段位移控制型阻尼器可更好的限制梁端的往复运动，降低连梁端的累计位移。
在快速(VD)运动区间内，随着活塞组件6运动速度的逐步增大，左右腔体压强差逐渐增大，第2个～第6个单向液压阀逐步开启，大量阻尼介质7流过单向液压阀，阻尼介质7间相互摩擦，阻尼力输出较大，此时阻尼力为
Figure BDA0002929926970000092
可有效降低桥梁在地震作用下的响应。
活塞组件6与限位弹性装置7接触后，多阶段位移控制型阻尼器的荷载输出为k(u-dx)，可通过设置适当的限位刚度k，将平均纵风、温度荷载、恒载等静载组合引起的纵向梁端位移控制在合理水平。
在本实施例中，限位弹性装置4为碟形弹簧、螺旋弹簧、钢板弹簧、环形弹簧、橡胶弹簧、聚氨酯弹性体弹簧、液压弹簧中的任意一个或多个弹簧的复合体。优选地，本实施例的限位弹性装置4采用碟形弹簧。
在本实施例中，阻尼器数据采集模块包括设置在多阶段位移控制型阻尼器上的压力传感器、温度传感器和位移传感器，以及与各个传感器连接的数据采集仪；所述压力传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的左腔体和右腔体的压强数据，所述温度传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的左腔体和右腔体中阻尼介质的温度数据，所述位移传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的位移数据，所述数据采集仪用于采集压力传感器、温度传感器和位移传感器的监测数据，将监测数据保存并传输至所述分析评估模块。
在本实施例中，分析评估模块包括数据处理器和存储于所述数据处理器的数据分析程序，用于对数据采集模块传输的监测数据进行处理，计算多阶段位移控制型阻尼器的输出阻尼力、运动速度、累计位移参数，并根据设计指标对多阶段位移控制型阻尼器进行定量评估。
在本实施例中，客户端包括可移动显示器和存储于所述可移动显示器的智能软件，用于实时显示多阶段位移控制型阻尼器的性能指标，能够自动反馈评估其本身的服役状态。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，其特征在于，包括多阶段位移控制型阻尼器和智能检测评估系统；
所述多阶段位移控制型阻尼器包括筒状缸体(5)、设置在所述缸体(5)两端的密封盖板(3)、以及贯穿所述缸体(5)的活塞杆(2)，所述密封盖板(3)内测分别设置一限位弹性装置(4)，所述限位弹性装置(4)之间填充阻尼介质(7)并设置一活塞组件(6)，所述活塞杆(2)贯穿所述密封盖板(3)、限位弹性装置(4)及活塞组件(6)并延伸至所述缸体(5)外部，所述活塞杆(2)的一端连接耳板(1)，所述缸体(5)相对的另一端设置连接筒(8)及与所述连接筒(8)连接的耳板(1)；所述活塞组件(6)设置有节流小孔(61)和多个单向液压阀，所述单向液压阀包括允许阻尼介质从左腔体流向右腔体的左单向液压阀(63)和允许阻尼介质从右腔体流向左腔体的右单向液压阀(62)，所述左单向液压阀(63)和右单向液压阀(62)数量相等且呈依次间隔环形排列；所述左单向液压阀(63)和右单向液压阀(62)均设置启动压力Pci，i＝1～n，n为正整数，Pc1～Pcn呈非线性增大，且当腔体内压力大于Pci时，第i个单向液压阀门开启，允许阻尼介质流过；所述多阶段位移控制型阻尼器在设计运动行程范围内设置不同运动速度区间，具体包括：
由温度作用引起的梁端运动，记为低速运动；
由车辆、脉动风引起的梁端往复运动，记为中速运动；
由地震引起的主梁往复运动，记为快速运动；
所述不同运动速度区间的本构关系为：
Figure FDA0003389423270000021
其中，Fc为中速运动区间内的输出荷载值；u为运动位移；
Figure FDA0003389423270000022
为运动速度值；dx为阻尼器的设计运动行程；k为超过设计运动行程后的限位刚度值；C为快速运动区间内的阻尼系数；α快速运动区间内的速度指数；Vt为低速运动速度；Vc为中速运动速度；VD为快速运动速度；
所述智能检测评估系统包括阻尼器数据采集模块、分析评估模块及客户端；
所述阻尼器数据采集模块用于监测多阶段位移控制型阻尼器的位移、腔体压强及阻尼介质温度，将监测数据保存并传输至所述分析评估模块；
所述分析评估模块用于根据监测数据计算多阶段位移控制型阻尼器的输出阻尼力、运动速度、累计位移参数，并根据设计指标对多阶段位移控制型阻尼器进行定量评估；
所述客户端用于实时显示多阶段位移控制型阻尼器的性能指标，能够自动反馈本身的服役状态。
2.根据权利要求1所述的具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，其特征在于，所述限位弹性装置(4)为碟形弹簧、螺旋弹簧、钢板弹簧、环形弹簧、橡胶弹簧、聚氨酯弹性体弹簧、液压弹簧中任意一个或多个弹簧的复合体。
3.根据权利要求2所述的具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，其特征在于，所述阻尼器数据采集模块包括设置在多阶段位移控制型阻尼器上的压力传感器、温度传感器和位移传感器，以及与各个传感器连接的数据采集仪；所述压力传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的左腔体和右腔体的压强数据，所述温度传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的左腔体和右腔体中阻尼介质的温度数据，所述位移传感器用于监测多阶段位移控制型阻尼器的位移数据，所述数据采集仪用于采集压力传感器、温度传感器和位移传感器的监测数据，将监测数据保存并传输至所述分析评估模块。
4.根据权利要求3所述的具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，其特征在于，所述分析评估模块包括数据处理器和存储于所述数据处理器的数据分析程序，用于对数据采集模块传输的监测数据进行处理，计算多阶段位移控制型阻尼器的输出阻尼力、运动速度、累计位移参数，并根据设计指标对多阶段位移控制型阻尼器进行定量评估。
5.根据权利要求4所述的具有智能监测功能的多阶段位移控制型阻尼器，其特征在于，所述客户端包括可移动显示器和存储于所述可移动显示器的智能软件，用于实时显示多阶段位移控制型阻尼器的性能指标，能够自动反馈本身的服役状态。
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