CN113356033A - 一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，所述桥梁抗震系统包括阻尼器、压电传感器、震动传感器和控制单元，所述阻尼器、压电传感器和震动传感器均与控制单元信号连接，所述阻尼器安装于桥墩上表面和桥板下表面之间，所述压电传感器呈长条状且固定设置于桥板上表面，所述震动传感器安装于桥板下表面，所述控制单元根据压电传感器和震动传感器监测的信号改变阻尼器的阻尼力，使阻尼器的即时阻尼力与桥梁的即时状态相匹配。本发明的目的在于解决或至少减轻因传统的隔震装置作为被动控制装置且额定阻尼力为定值很难适应于桥梁的问题，提供一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统。

Description

一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统

技术领域

本发明涉及计算机控制技术领域，尤其涉及一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统。

背景技术

桥梁的安全性跟桥梁的震动具有较大的关联性。传统抗震方法“抗”为主要途径，通过加大结构断面及加多配筋来抵抗震动将会大大增加抗震成本。近年来工程隔震技术有了快速发展，隔震技术的目的是为了将结构与震动激励分离开来，其基本原理是在基础结构和上部结构之间设置隔震层并利用隔震装置的耗能能力消耗震动输入能量，同时可以控制隔震结构的位移幅值，从而降低结构的动为学响应，达到对结构的保护作用。为了确保隔震装置具有良好的稳定性和减隔震效果，设置在基础结构和上部结构间的隔震装置需要具备以下四项特性：

(1)具有足够的竖向刚度和竖向承载力，保证结构在正常使用和强震作用下能够安全支承上部结构的所有重量；

(2)隔震装置具有可变的水平刚度特性，在强风和轻微震动下需要有足够的初始刚度，确保结构的稳定性及使用功能；在强烈震动发生时隔震装置水平刚度减小并具有充分的变形能力，使“刚性”的抗震系统变为“柔性”的隔震系统，并增大隔震结构的振动周期，从而降低结构的震动响应；

(3)具有较强的复位能力，在震动结束后上部结构能够运动到初始位置，保证结构的正常使用功能；

(4)能够通过阻尼耗能降低震动波向上部结构传递的能量，同时限制隔震层的最大变形，避免结构与长周期的震动波产生共振效应。

隔震装置多为消能装置，能减少隔震层的层间位移，其作为被动控制装置且额定阻尼力为定值，而桥梁的震动具有强随机性。隔震装置的额定阻尼力较小时，桥梁无非承受较大的震动；隔震装置的额定阻尼力较大时，隔震装置的初始高度大，从而可能放大上部结构的加速度和层间位移，造成桥板从桥墩脱落。因此现有的隔震装置很难适应于桥梁。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，解决或至少减轻因传统的隔震装置作为被动控制装置且额定阻尼力为定值很难适应于桥梁的问题，提供一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，所述桥梁抗震系统设置于桥梁的桥墩和桥梁的桥板之间，所述桥梁抗震系统包括阻尼器、压电传感器、震动传感器和控制单元，所述阻尼器、压电传感器和震动传感器均与控制单元信号连接；

其中，所述阻尼器安装于桥墩上表面和桥板下表面之间，阻尼器用于降低桥板的震动；

所述压电传感器呈长条状且固定设置于桥板上表面，压电传感器的长度方向与桥板的长度方向相互垂直，多个压电传感器等距平行设置组成压电组，两组所述压电组分别设置于桥板两端，压电组用于监测进入桥板的物体的重量和移动速度；

所述震动传感器安装于桥板下表面，多个震动传感器沿桥板长度方向等距间隔设置，震动传感器用于监测桥板的震动烈度；

所述控制单元根据压电传感器和震动传感器监测的信号改变阻尼器的阻尼力，使阻尼器的即时阻尼力与桥梁的即时状态相匹配。

为了进一步实现本发明，可优先选用以下技术方案：

优选的，所述控制单元配置为当通过压电组监测到进入桥板的物体的重量大于设定值时，根据该物体的移动速度得出其到桥墩处的时间，在该时间时提高该桥墩安装的阻尼器的阻尼力，物体经过该桥墩后，该桥墩安装的阻尼器的阻尼力恢复至初始值；当通过震动传感器监测到桥板某处的震动烈度大于设定值时，根据震动传感器的位置选出距离该处最近的桥墩，提高该桥墩安装的阻尼器的阻尼力，桥板该处的震动烈度小于设定值时，该桥墩安装的阻尼器的阻尼力恢复至初始值。

优选的，所述阻尼器包括下支座、上支座和压电滑块组件，所述下支座固定设置于桥墩上表面，下支座上表面中心处固定设置于上凸的限位环，所述上支座固定设置于桥板下表面且位于下支座上方，下支座下表面中心处设置有内凹的滑槽，所述滑槽的底面为弧面，所述压电滑块组件设置于下支座和上支座之间，压电滑块组件包括滑块座、顶块和叠层压电驱动器，所述滑块座呈下端封闭的圆筒状，滑块座下端面与下支座上表面摩擦滑动且位于限位环内，所述顶块与滑块座同轴设置，顶块上部滑动套合于下支座的滑槽内，顶块上端面为与下支座滑槽底面相对应的弧面，顶块下部轴向滑动套合于滑块座内，所述叠层压电驱动器呈圆柱形且竖直设置于滑块座内，叠层压电驱动器上下两端分别抵至滑块座和顶块。

优选的，所述阻尼器还包括形状记忆合金线，所述形状记忆合金线下端固定至下支座的限位环外侧、上端固定至上支座，多个形状记忆合金线沿限位环均匀圆周阵列设置。

优选的，所述滑块座内设置有竖直的定位孔，所述叠层压电驱动器安装于所述定位孔内，定位孔的直径值等于叠层压电驱动器的直径值，定位孔的深度值小于叠层压电驱动器的高度值。

优选的，所述定位孔的数量为多个，其中一个定位孔与滑块座同轴设置，其余的定位孔以滑块座的轴线为中心均匀圆周阵列设置，每个定位孔内均安装有叠层压电驱动器。

优选的，所述桥梁抗震系统还包括蓄电池，所述蓄电池安装于桥梁外侧，蓄电池的充电端与压电传感器和叠层压电驱动器连接，蓄电池的放电端与震动传感器、叠层压电驱动器和形状记忆合金线连接；

正常状态时，压电传感器和叠层压电驱动器受压力产生的电能存储至蓄电池，蓄电池为震动传感器工作提供电能；

需要增大阻尼器的阻尼力时，蓄电池向叠层压电驱动器提供电能，叠层压电驱动器受电后高度值增大，增加压电滑块组件底部与下支座之间的阻尼力；

需要阻尼器的阻尼力恢复至初始值时，蓄电池向形状记忆合金线提供电能，并停止向叠层压电驱动器提供电能，叠层压电驱动器的高度值恢复至增大前的高度值，形状记忆合金线受电发热，形状记忆合金线恢复至拉伸前的长度值。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的阻尼器的阻尼力可进行调节，根据压电传感器和震动传感器预判和监测桥梁的震动情况通过控制单元对阻尼器的阻尼力进行即时调节，使阻尼器的即时阻尼力与桥梁的即时状态相匹配，不仅能保障桥梁良好的抗震效果，还能提高阻尼器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的桥墩和阻尼器的安装示意图；

图4为本发明的阻尼器的结构示意图；

图5为本发明的阻尼器的结构剖视图；

图6为本发明的下支座的结构示意图；

图7为本发明的上支座的结构示意图；

图8为本发明的上支座的纵向剖视图；

图9为本发明的压电滑块组件的结构剖视图；

图10为本发明的滑块座的结构示意图；

图11为本发明的顶块的结构示意图；

其中：1-阻尼器；2-压电传感器；3-桥墩；4-桥板；5-下支座；6-上支座；7-压电滑块组件；8-限位环；9-滑槽；10-形状记忆合金线；701-滑块座；702-顶块；703-叠层压电驱动器。

具体实施方式

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-11所示，一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，桥梁抗震系统设置于桥梁的桥墩3和桥梁的桥板4之间，桥梁抗震系统包括阻尼器1、压电传感器2、震动传感器和控制单元，阻尼器1、压电传感器2和震动传感器均与控制单元信号连接；

其中，阻尼器1安装于桥墩3上表面和桥板4下表面之间，阻尼器1用于降低桥板4的震动；

压电传感器2呈长条状且固定设置于桥板4上表面，压电传感器2的长度方向与桥板4的长度方向相互垂直，多个压电传感器2等距平行设置组成压电组，两组压电组分别设置于桥板4两端，压电组用于监测进入桥板4的物体的重量和移动速度；

震动传感器安装于桥板4下表面，多个震动传感器沿桥板4长度方向等距间隔设置，震动传感器用于监测桥板4的震动烈度；

控制单元根据压电传感器2和震动传感器监测的信号改变阻尼器1的阻尼力，使阻尼器1的即时阻尼力与桥梁的即时状态相匹配。

控制单元配置为当通过压电组监测到进入桥板4的物体的重量大于设定值时，根据该物体的移动速度得出其到桥墩3处的时间，在该时间时提高该桥墩3安装的阻尼器1的阻尼力，物体经过该桥墩3后，该桥墩3安装的阻尼器1的阻尼力恢复至初始值；当通过震动传感器监测到桥板4某处的震动烈度大于设定值时，根据震动传感器的位置选出距离该处最近的桥墩3，提高该桥墩3安装的阻尼器1的阻尼力，桥板4该处的震动烈度小于设定值时，该桥墩3安装的阻尼器1的阻尼力恢复至初始值。

为了控制阻尼器1改变其阻尼力，阻尼器1包括下支座5、上支座6和压电滑块组件7，下支座5固定设置于桥墩3上表面，下支座5上表面中心处固定设置于上凸的限位环8，上支座6固定设置于桥板4下表面且位于下支座5上方，下支座5下表面中心处设置有内凹的滑槽9，滑槽9的底面为弧面，压电滑块组件7设置于下支座5和上支座6之间，压电滑块组件7包括滑块座701、顶块702和叠层压电驱动器703，滑块座701呈下端封闭的圆筒状，滑块座701下端面与下支座5上表面摩擦滑动且位于限位环8内，顶块702与滑块座701同轴设置，顶块702上部滑动套合于下支座5的滑槽9内，顶块702上端面为与下支座5滑槽9底面相对应的弧面，顶块702下部轴向滑动套合于滑块座701内，叠层压电驱动器703呈圆柱形且竖直设置于滑块座701内，叠层压电驱动器703上下两端分别抵至滑块座701和顶块702。

为了优化产品结构，便于阻尼器1复位和控制阻尼力，阻尼器1还包括形状记忆合金线10，形状记忆合金线10下端固定至下支座5的限位环8外侧、上端固定至上支座6，多个形状记忆合金线10沿限位环8均匀圆周阵列设置。

为了防止叠层压电驱动器703出现弯曲现象，滑块座701内设置有竖直的定位孔，叠层压电驱动器703安装于定位孔内，定位孔的直径值等于叠层压电驱动器703的直径值，定位孔的深度值小于叠层压电驱动器703的高度值。

为了提供阻尼器1的阻尼力的调控性，定位孔的数量为多个，其中一个定位孔与滑块座701同轴设置，其余的定位孔以滑块座701的轴线为中心均匀圆周阵列设置，每个定位孔内均安装有叠层压电驱动器703。

进一步优化产品结构，桥梁抗震系统还包括蓄电池，蓄电池安装于桥梁外侧，蓄电池的充电端与压电传感器2和叠层压电驱动器703连接，蓄电池的放电端与震动传感器、叠层压电驱动器703和形状记忆合金线10连接；

正常状态时，压电传感器2和叠层压电驱动器703受压力产生的电能存储至蓄电池，蓄电池为震动传感器工作提供电能；

需要增大阻尼器1的阻尼力时，蓄电池向叠层压电驱动器703提供电能，叠层压电驱动器703受电后高度值增大，增加压电滑块组件7底部与下支座5之间的阻尼力；

需要阻尼器1的阻尼力恢复至初始值时，蓄电池向形状记忆合金线10提供电能，并停止向叠层压电驱动器703提供电能，叠层压电驱动器703的高度值恢复至增大前的高度值，形状记忆合金线10受电发热，形状记忆合金线10恢复至拉伸前的长度值。

本发明的阻尼器1的阻尼力可进行调节，根据压电传感器2和震动传感器预判和监测桥梁的震动情况通过控制单元对阻尼器1的阻尼力进行即时调节，使阻尼器1的即时阻尼力与桥梁的即时状态相匹配，不仅能保障桥梁良好的抗震效果，还能提高阻尼器1的使用寿命。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，所述桥梁抗震系统设置于桥梁的桥墩(3)和桥梁的桥板(4)之间，其特征在于，所述桥梁抗震系统包括阻尼器(1)、压电传感器(2)、震动传感器和控制单元，所述阻尼器(1)、压电传感器(2)和震动传感器均与控制单元信号连接；

其中，所述阻尼器(1)安装于桥墩(3)上表面和桥板(4)下表面之间，阻尼器(1)用于降低桥板(4)的震动；

所述压电传感器(2)呈长条状且固定设置于桥板(4)上表面，压电传感器(2)的长度方向与桥板(4)的长度方向相互垂直，多个压电传感器(2)等距平行设置组成压电组，两组所述压电组分别设置于桥板(4)两端，压电组用于监测进入桥板(4)的物体的重量和移动速度；

所述震动传感器安装于桥板(4)下表面，多个震动传感器沿桥板(4)长度方向等距间隔设置，震动传感器用于监测桥板(4)的震动烈度；

所述控制单元根据压电传感器(2)和震动传感器监测的信号改变阻尼器(1)的阻尼力，使阻尼器(1)的即时阻尼力与桥梁的即时状态相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，其特征在于，所述控制单元配置为当通过压电组监测到进入桥板(4)的物体的重量大于设定值时，根据该物体的移动速度得出其到桥墩(3)处的时间，在该时间时提高该桥墩(3)安装的阻尼器(1)的阻尼力，物体经过该桥墩(3)后，该桥墩(3)安装的阻尼器(1)的阻尼力恢复至初始值；当通过震动传感器监测到桥板(4)某处的震动烈度大于设定值时，根据震动传感器的位置选出距离该处最近的桥墩(3)，提高该桥墩(3)安装的阻尼器(1)的阻尼力，桥板(4)该处的震动烈度小于设定值时，该桥墩(3)安装的阻尼器(1)的阻尼力恢复至初始值。

3.根据权利要求1所述的一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，其特征在于，所述阻尼器(1)包括下支座(5)、上支座(6)和压电滑块组件(7)，所述下支座(5)固定设置于桥墩(3)上表面，下支座(5)上表面中心处固定设置于上凸的限位环(8)，所述上支座(6)固定设置于桥板(4)下表面且位于下支座(5)上方，下支座(5)下表面中心处设置有内凹的滑槽(9)，所述滑槽(9)的底面为弧面，所述压电滑块组件(7)设置于下支座(5)和上支座(6)之间，压电滑块组件(7)包括滑块座(701)、顶块(702)和叠层压电驱动器(703)，所述滑块座(701)呈下端封闭的圆筒状，滑块座(701)下端面与下支座(5)上表面摩擦滑动且位于限位环(8)内，所述顶块(702)与滑块座(701)同轴设置，顶块(702)上部滑动套合于下支座(5)的滑槽(9)内，顶块(702)上端面为与下支座(5)滑槽(9)底面相对应的弧面，顶块(702)下部轴向滑动套合于滑块座(701)内，所述叠层压电驱动器(703)呈圆柱形且竖直设置于滑块座(701)内，叠层压电驱动器(703)上下两端分别抵至滑块座(701)和顶块(702)。

4.根据权利要求3所述的一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，其特征在于，所述阻尼器(1)还包括形状记忆合金线(10)，所述形状记忆合金线(10)下端固定至下支座(5)的限位环(8)外侧、上端固定至上支座(6)，多个形状记忆合金线(10)沿限位环(8)均匀圆周阵列设置。

5.根据权利要求3所述的一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，其特征在于，所述滑块座(701)内设置有竖直的定位孔，所述叠层压电驱动器(703)安装于所述定位孔内，定位孔的直径值等于叠层压电驱动器(703)的直径值，定位孔的深度值小于叠层压电驱动器(703)的高度值。

6.根据权利要求5所述的一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，其特征在于，所述定位孔的数量为多个，其中一个定位孔与滑块座(701)同轴设置，其余的定位孔以滑块座(701)的轴线为中心均匀圆周阵列设置，每个定位孔内均安装有叠层压电驱动器(703)。

7.根据权利要求4所述的一种基于计算机调节控制的桥梁抗震系统，其特征在于，所述桥梁抗震系统还包括蓄电池，所述蓄电池安装于桥梁外侧，蓄电池的充电端与压电传感器(2)和叠层压电驱动器(703)连接，蓄电池的放电端与震动传感器、叠层压电驱动器(703)和形状记忆合金线(10)连接；

正常状态时，压电传感器(2)和叠层压电驱动器(703)受压力产生的电能存储至蓄电池，蓄电池为震动传感器工作提供电能；

需要增大阻尼器(1)的阻尼力时，蓄电池向叠层压电驱动器(703)提供电能，叠层压电驱动器(703)受电后高度值增大，增加压电滑块组件(7)底部与下支座(5)之间的阻尼力；

需要阻尼器(1)的阻尼力恢复至初始值时，蓄电池向形状记忆合金线(10)提供电能，并停止向叠层压电驱动器(703)提供电能，叠层压电驱动器(703)的高度值恢复至增大前的高度值，形状记忆合金线(10)受电发热，形状记忆合金线(10)恢复至拉伸前的长度值。

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