CN113638306B - 一种桥梁吊杆阻尼索减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁吊杆阻尼索减振装置，包括主梁、桥塔、主缆和阻尼索装置，所述主缆位于主梁上方且左右两端安装在主梁两侧的桥塔上，主缆与主梁之间设有若干吊杆组，每个吊杆组包括两根相互平行且竖向设置的吊杆，所述阻尼索装置沿悬索桥跨中断面对称安装且连接于悬索桥桥塔上部与吊杆之间，所述阻尼索装置包括横向阻尼索装置和纵向阻尼索装置。本发明每两根横向主副索与两根纵向主副索组成一个标准的减振节段，同时抑制相邻4根吊杆任意方向振动，减振节段依次相连就抑制了全桥吊杆振动。

Description

一种桥梁吊杆阻尼索减振装置

技术领域

本发明公开了一种桥梁吊杆阻尼索减振装置。

背景技术

在跨越大江大河时，悬索桥得到了广泛应用。吊杆将悬索桥主梁自重及桥面交通荷载传递给主缆，大跨度悬索桥吊杆细长、阻尼低，易发生风致振动，特别是主塔最近的吊杆处于主塔尾流区，当尾流涡脱频率与吊杆固有频率一致时，吊杆发生强烈的大幅振动，极易导致吊杆疲劳破坏。

现有吊杆减振装置主要采用调谐减振，调谐减振的原理是在吊杆上通过弹簧和阻尼器连接一质量块，通过合理设计质量块的质量，弹簧刚度和阻尼器参数，使形成调谐质量阻尼器（TMD），如图1所示。图1中，m为质量块的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼器阻尼，M为主结构的质量，k1为主结构刚度，c1为主结构阻尼，F为结构所受到的风、流体等激励荷载的动力部分，F₀为外激励的幅值，ω为外激励的频率，t为时间。

当吊杆（主结构）发生大幅振动时，利用共振原理，即TMD的频率

与吊杆频率一致，使TMD发生大幅振动，利用TMD的惯性力平衡外加激励，从而抑制吊杆的振动。TMD的减振原理决定了其仅能对吊杆的单阶频率进行减振，当TMD本身的频率与结构振动频率偏离时，TMD的振幅迅速减小，导致其减振效果迅速下降。吊杆会发生多阶频率的振动，TMD抑制吊杆的振动没有得到广泛应用。

吊杆减振目前除TMD减振外，还有在同一位置吊杆的不同索股间安装减振架，通过两夹板8和螺杆25将相互接近的两吊杆5连接，夹板8与吊杆5间加橡胶片等阻尼材料，其结构如图2、图3所示。这种方式本质上是在吊杆5各索股间增加弹性和阻尼装置，强制各索股以共同的频率振动，当各索股具有明显不同的固有频率时，索股间减振器具有一定的减振效果，当索股频率接近时就完全失去了减振作用，仅是强制各索股以共同的频率振动，完全达不到对吊杆减振的效果。

现有的液压流体阻尼器等虽然有很好的耗能减振能力，可以对吊杆的任意振动模态进行耗能减振，但目前阻尼器通过另加支座的方式必须安装在吊杆锚固端附近，吊杆振动时阻尼器的行程小，因而耗能也小，无法达到抑制吊杆振动的目的。

基于以上原因，现有大跨度悬索桥吊杆的风致振动，特别是桥塔附近长吊杆的风致振动一直没有得到有效的控制，严重影响吊杆的使用寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠的桥梁吊杆阻尼索减振装置。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种桥梁吊杆阻尼索减振装置，包括主梁、桥塔、主缆和阻尼索装置，所述主缆位于主梁上方且左右两端安装在主梁两侧的桥塔上，主缆与主梁之间设有若干吊杆组，每个吊杆组包括两根相互平行且竖向设置的吊杆，所述阻尼索装置沿悬索桥跨中断面对称安装且连接于悬索桥桥塔上部与吊杆之间，所述阻尼索装置包括横向阻尼索装置和纵向阻尼索装置。

上述桥梁吊杆阻尼索减振装置，所述横向阻尼索装置包括夹板、横梁、第一横向阻尼主索、第二横向阻尼主索、横向复位弹簧和横向阻尼器，设定沿主梁方向为纵向，每个吊杆组的两根吊杆之间均连接一块夹板，夹板固定于两根吊杆的同一水平高度位置，夹板前后两侧对称设置两个动滑轮，两个动滑轮均通过并联的横向复位弹簧、横向阻尼器连接夹板；夹板左右两端对称安装两根横梁，横梁前后两端部开槽安装定滑轮，两根横梁的端部之间安装用于增大横梁刚度并防止横梁转动的端梁，第一横向阻尼主索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁前端，第一横向阻尼主索右端依次绕过当前吊杆组左侧横梁后端的定滑轮、当前吊杆组后侧的动滑轮、当前吊杆组右侧横梁后端的定滑轮后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁前端；第二横向阻尼主索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁后端，第二横向阻尼主索右端依次绕过当前吊杆组左侧横梁前端的定滑轮、当前吊杆组前侧的动滑轮、当前吊杆组右侧横梁前端的定滑轮后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁后端。

上述桥梁吊杆阻尼索减振装置，所述横向阻尼索装置还包括第一横向阻尼副索、第二横向阻尼副索，每根横梁前后两端部均竖直安装立柱，所述第一横向阻尼副索位于第一横向阻尼主索正上方，第一横向阻尼副索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁前端的立柱顶部，第一横向阻尼副索右端依次绕过当前吊杆组中左侧横梁后端的立柱顶部、当前吊杆组中右侧横梁后端的立柱顶部后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁前端的立柱顶部；所述第二横向阻尼副索位于第二横向阻尼主索正上方，第二横向阻尼副索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁后端的立柱顶部，第二横向阻尼副索右端依次绕过当前吊杆组中左侧横梁前端的立柱顶部、当前吊杆组中右侧横梁前端的立柱顶部后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁后端的立柱顶部。

上述桥梁吊杆阻尼索减振装置，所述纵向阻尼索装置包括上夹板、第一纵向阻尼主索、第二纵向阻尼主索、纵向复位弹簧、纵向阻尼器，每个吊杆组的两根吊杆之间均连接一块上夹板，上夹板与夹板保持同一高度差且位于夹板上方，当前吊杆组左右两侧分别设置第一纵向阻尼主索、第二纵向阻尼主索，左侧的第一纵向阻尼主索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁中部，第一纵向阻尼主索右端经纵向复位弹簧和纵向阻尼器后锚固于当前吊杆组左侧横梁中部；右侧的第二纵向阻尼主索左端经纵向复位弹簧和纵向阻尼器后锚固于当前吊杆组右侧横梁中部，第二纵向阻尼主索右端锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁中部。

上述桥梁吊杆阻尼索减振装置，所述纵向阻尼索装置还包括第一纵向阻尼副索和第二纵向阻尼副索，第一纵向阻尼副索位于第一纵向阻尼主索正上方，第一纵向阻尼副索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中上夹板右端，第一纵向阻尼副索右端锚固于当前吊杆组中上夹板左端；第二纵向阻尼副索位于第二纵向阻尼主索正上方，第二纵向阻尼副索左端锚固于当前吊杆组中上夹板右端，第二纵向阻尼副索右端锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中上夹板左端。

上述桥梁吊杆阻尼索减振装置，所述第一横向阻尼主索与第一横向阻尼副索之间、第二横向阻尼主索与第二横向阻尼副索之间、第一纵向阻尼主索与第一纵向阻尼副索之间、第二纵向阻尼主索与第二纵向阻尼副索之间均设有吊索。

本发明的有益效果在于：

1、采用主索与副索结合减小主索垂度，增大主索刚度。

2、采用大刚度主索与小刚度弹簧结合获得两优势：其一，张紧的弹簧保证主索总处于张紧状态；其二，将距离较远吊杆相对运动的位移最大限度地转换为弹簧的变形。

3、利用复位弹簧与阻尼器的并联，实现了主索张拉与弹簧压缩阻尼器。

4、将吊杆振动分解为横向振动和纵向振动，并分别设置减振阻尼索，吊杆平面内的纵向阻尼索可直接抑制吊杆纵向振动。

5、将吊杆横向振动时与纵向阻尼索垂直，因此纵向阻尼索无法抑制吊杆横向振动；本发明采用夹板、横梁、横向阻尼索结构，将吊杆横向振动转换为与横向阻尼索主索的斜交状态，实现了吊杆横向振动改变阻尼索的长度。

6、每两根横向主副索与两根纵向主副索组成一个标准的减振节段，同时抑制相邻4根吊杆任意方向振动，减振节段依次相连就抑制了全桥拉索振动。

7、阻尼索主索中段在定滑轮两侧形成夹角，既有位移放大作用，增大阻尼器行程，增加耗能能力；又能防止阻尼索因温度变化导致的松弛与过度张紧。

附图说明

图1为现有调谐质量阻尼器（TMD）的原理示意图。

图2为在同一位置吊杆的不同索股间安装减振架的原理示意图。

图3为图2的仰视图。

图4为本发明实施例安装使用时的示意图。

图5为本发明实施例标准节段阻尼索主索平面图。

图6为本发明实施例标准节段横向阻尼索装置立面图。

图7为本发明实施例标准节段纵向阻尼索装置立面图。

图8 为本发明实施例塔端节段阻尼索俯视图。

图9为本发明实施例主缆端节段阻尼索俯视图。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图4-图9所示，一种桥梁吊杆阻尼索减振装置，包括主梁1、桥塔2、主缆4和阻尼索装置3，所述主缆4位于主梁1上方且左右两端安装在主梁1两侧的桥塔2上，主缆4与主梁1之间设有若干吊杆组，每个吊杆组包括两根相互平行且竖向设置的吊杆5，所述阻尼索装置3沿悬索桥跨中断面对称安装且连接于悬索桥桥塔2上部与主梁1之间，所述阻尼索装置3包括横向阻尼索装置和纵向阻尼索装置。阻尼索装置3的安装高度可以根据需要任意布置，最大限度地增加了阻尼索装置3中阻尼器的行程，提高了阻尼器的耗能；并且由于阻尼索的安装方便、预张力小，采用多套阻尼索适当配合可完全抑制吊杆任意模态振动，

所述横向阻尼索装置包括夹板8、横梁、第一横向阻尼主索11-1、第二横向阻尼主索11-2、横向复位弹簧12和横向阻尼器15，设定沿主梁1方向为纵向，每个吊杆组的两根吊杆之间均连接一块夹板8，夹板8固定于两根吊杆的同一水平高度位置，夹板8前后两侧对称设置两个动滑轮14，两个动滑轮14均通过并联的横向复位弹簧12、横向阻尼器15连接夹板8；夹板8左右两端通过螺母7对称安装两根横梁，横梁前后两端部开槽安装定滑轮13，两根横梁的端部之间安装用于增大横梁刚度并防止横梁转动的端梁9，第一横向阻尼主索11-1左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁6-2前端，第一横向阻尼主索11-1右端依次绕过当前吊杆组左侧横梁6-3后端的定滑轮13、当前吊杆组后侧的动滑轮14、当前吊杆组右侧横梁6-4后端的定滑轮13后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁6-5前端；第二横向阻尼主索11-2左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁6-2后端，第二横向阻尼主索11-2右端依次绕过当前吊杆组左侧横梁6-3前端的定滑轮13、当前吊杆组前侧的动滑轮14、当前吊杆组右侧横梁6-4前端的定滑轮13后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁6-5后端。

所述横向阻尼索装置还包括第一横向阻尼副索10-1、第二横向阻尼副索10-2，每根横梁前后两端部均竖直安装立柱18，所述第一横向阻尼副索10-1位于第一横向阻尼主索11-1正上方，第一横向阻尼副索10-1左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁6-2前端的立柱18顶部，6-1表示位于当前吊杆组左侧的吊杆组中左侧横梁，6-6表示位于当前吊杆组右侧的吊杆组中右侧横梁；第一横向阻尼副索10-1右端依次绕过当前吊杆组中左侧横梁6-3后端的立柱18顶部、当前吊杆组中右侧横梁6-4后端的立柱18顶部后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁6-5前端的立柱18顶部；所述第二横向阻尼副索10-2位于第二横向阻尼主索11-2正上方，第二横向阻尼副索10-2左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁6-2后端的立柱18顶部，第二横向阻尼副索10-2右端依次绕过当前吊杆组中左侧横梁6-3前端的立柱18顶部、当前吊杆组中右侧横梁6-4前端的立柱18顶部后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁6-5后端的立柱18顶部。

标准节段的两套阻尼索同时抑制吊杆5-2、5-3、5-4、5-5四根吊杆横向振动（图5所示的前后振动），其左右两端各安装其余节段阻尼索，从而达到抑制所有吊杆横向振动。5-1表示位于当前吊杆组左侧的吊杆组中左侧吊杆，5-6表示位于当前吊杆组右侧的吊杆组中右侧吊杆。

所述纵向阻尼索装置包括上夹板24、第一纵向阻尼主索20-1、第二纵向阻尼主索20-2、纵向复位弹簧21、纵向阻尼器22，每个吊杆组的两根吊杆之间均连接一块上夹板24，上夹板24与夹板8保持同一高度差且位于夹板8上方，当前吊杆组左右两侧分别设置第一纵向阻尼主索20-1、第二纵向阻尼主索20-2，左侧的第一纵向阻尼主索20-1左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁6-2中部，第一纵向阻尼主索20-1右端经纵向复位弹簧21和纵向阻尼器22后锚固于当前吊杆组左侧横梁6-3中部；右侧的第二纵向阻尼主索20-2左端经纵向复位弹簧21和纵向阻尼器22后锚固于当前吊杆组右侧横梁6-4中部，第二纵向阻尼主索20-2右端锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁6-5中部。

所述纵向阻尼索装置还包括第一纵向阻尼副索23-1和第二纵向阻尼副索23-2，第一纵向阻尼副索23-1位于第一纵向阻尼主索20-1正上方，第一纵向阻尼副索23-1左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中上夹板24右端，第一纵向阻尼副索23-1右端锚固于当前吊杆组中上夹板24左端；第二纵向阻尼副索23-2位于第二纵向阻尼主索20-2正上方，第二纵向阻尼副索23-2左端锚固于当前吊杆组中上夹板24右端，第二纵向阻尼副索23-2右端锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中上夹板24左端。

所述第一横向阻尼主索11-1与第一横向阻尼副索10-1之间、第二横向阻尼主索11-2与第二横向阻尼副索10-2之间、第一纵向阻尼主索20-1与第一纵向阻尼副索23-1之间、第二纵向阻尼主索20-2与第二纵向阻尼副索23-2之间均设有吊索19。各副索本身垂度大，以此承受重力作用，并通过吊索与对应主索连接，承担主索重力，减小了主索因重力而产生的整体垂度。

阻尼索两端为非标准节段，塔端节段的阻尼索直径锚固于塔壁16，如图8所示；主缆端阻尼索安装如图8所示。图9中17表示斜连杆。

由于相邻的三对吊杆长度不同，导致其振动频率不同，不可能保持同步运动，故总可以利用其相对运动驱动阻尼器耗能。以标准节段为例，阻尼索减振原理如下：

横向振动（图5所示的前后振动）减振：

吊杆5-3、5-4长度相同，振动频率一致，但其长度与吊杆5-2、5-5差别较大，振动频率明显不同。

当吊杆5-3和5-4发生横向振动，若吊杆向前运动，第二横向阻尼主索11-2被张拉伸长，其中点位置动滑轮14与夹板8间距离因第二横向阻尼主索11-2张紧而增大，横向阻尼器15被拉伸而耗能，从而减小吊杆5-3和5-4的机械能；同样，吊杆5-3和5-4向前运动，第一横向阻尼主索两端总长度减小使得第一横向阻尼主索张力松弛，其中点位置横向复位弹簧12在预紧力作用下收缩阻止第一横向阻尼主索11-1松弛，动滑轮14与夹板8间距离因横向复位弹簧12收缩而减小，横向阻尼器15被压缩而耗能，从而减小吊杆5-3和5-4的机械能。吊杆反向运动时阻尼索耗能原理类同。

当吊杆5-2发生横向振动，或吊杆5-5发生横向振动阻尼索耗能原理类同。

纵向振动（图5所示的左右振动）减振：

当吊杆5-3和5-4发生纵向振动，若吊杆5-4向右运动，吊杆5-2与5-3间距加大，第一纵向阻尼主索20-1被张拉伸长，第一纵向阻尼主索20-1刚度大而变形小，纵向复位弹簧21刚度下而变形大，与纵向复位弹簧21并联的纵向阻尼器22被拉伸而耗能，从而减小吊杆5-3和5-4的机械能；同样，吊杆5-3和5-4向右运动，吊杆5-4与5-5间距减小，第二纵向阻尼主索20-2收缩，第二纵向阻尼主索20-2刚度大而变形小，纵向复位弹簧21刚度下而变形大，与纵向复位弹簧21并联的纵向阻尼器22被纵向复位弹簧21压缩而耗能，从而减小吊杆5-3和5-4的机械能。吊杆反向运动时阻尼索耗能原理类同。

吊杆5-1和5-2，吊杆5-5和5-6纵向振动减振原理与上述同理。

Claims (1)

1.一种桥梁吊杆阻尼索减振装置，包括主梁、桥塔、主缆和阻尼索装置，所述主缆位于主梁上方且左右两端安装在主梁两侧的桥塔上，主缆与主梁之间设有若干吊杆组，每个吊杆组包括两根相互平行且竖向设置的吊杆，其特征在于：所述阻尼索装置沿悬索桥跨中断面对称安装且连接于悬索桥桥塔上部与吊杆之间，所述阻尼索装置包括横向阻尼索装置和纵向阻尼索装置；

所述横向阻尼索装置包括夹板、横梁、第一横向阻尼主索、第二横向阻尼主索、横向复位弹簧和横向阻尼器，设定沿主梁方向为纵向，每个吊杆组的两根吊杆之间均连接一块夹板，夹板固定于两根吊杆的同一水平高度位置，夹板前后两侧对称设置两个动滑轮，两个动滑轮均通过并联的横向复位弹簧、横向阻尼器连接夹板；夹板左右两端对称安装两根横梁，横梁前后两端部开槽安装定滑轮，两根横梁的端部之间安装用于增大横梁刚度并防止横梁转动的端梁，第一横向阻尼主索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁前端，第一横向阻尼主索右端依次绕过当前吊杆组左侧横梁后端的定滑轮、当前吊杆组后侧的动滑轮、当前吊杆组右侧横梁后端的定滑轮后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁前端；第二横向阻尼主索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁后端，第二横向阻尼主索右端依次绕过当前吊杆组左侧横梁前端的定滑轮、当前吊杆组前侧的动滑轮、当前吊杆组右侧横梁前端的定滑轮后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁后端；

所述横向阻尼索装置还包括第一横向阻尼副索、第二横向阻尼副索，每根横梁前后两端部均竖直安装立柱，所述第一横向阻尼副索位于第一横向阻尼主索正上方，第一横向阻尼副索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁前端的立柱顶部，第一横向阻尼副索右端依次绕过当前吊杆组中左侧横梁后端的立柱顶部、当前吊杆组中右侧横梁后端的立柱顶部后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁前端的立柱顶部；所述第二横向阻尼副索位于第二横向阻尼主索正上方，第二横向阻尼副索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁后端的立柱顶部，第二横向阻尼副索右端依次绕过当前吊杆组中左侧横梁前端的立柱顶部、当前吊杆组中右侧横梁前端的立柱顶部后，锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁后端的立柱顶部；

所述纵向阻尼索装置包括上夹板、第一纵向阻尼主索、第二纵向阻尼主索、纵向复位弹簧、纵向阻尼器，每个吊杆组的两根吊杆之间均连接一块上夹板，上夹板与夹板保持同一高度差且位于夹板上方，当前吊杆组左右两侧分别设置第一纵向阻尼主索、第二纵向阻尼主索，左侧的第一纵向阻尼主索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中右侧横梁中部，第一纵向阻尼主索右端经并联的纵向复位弹簧和纵向阻尼器后锚固于当前吊杆组左侧横梁中部；右侧的第二纵向阻尼主索左端经并联的纵向复位弹簧和纵向阻尼器后锚固于当前吊杆组右侧横梁中部，第二纵向阻尼主索右端锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中左侧横梁中部；

所述纵向阻尼索装置还包括第一纵向阻尼副索和第二纵向阻尼副索，第一纵向阻尼副索位于第一纵向阻尼主索正上方，第一纵向阻尼副索左端锚固于位于当前吊杆组左侧的吊杆组中上夹板右端，第一纵向阻尼副索右端锚固于当前吊杆组中上夹板左端；第二纵向阻尼副索位于第二纵向阻尼主索正上方，第二纵向阻尼副索左端锚固于当前吊杆组中上夹板右端，第二纵向阻尼副索右端锚固于位于当前吊杆组右侧的吊杆组中上夹板左端；

所述第一横向阻尼主索与第一横向阻尼副索之间、第二横向阻尼主索与第二横向阻尼副索之间、第一纵向阻尼主索与第一纵向阻尼副索之间、第二纵向阻尼主索与第二纵向阻尼副索之间均设有吊索。

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