CN113959663B - 跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，该装置包括质量块、阻尼器、弹簧、弹性杆、滚轴、支座、滑道和箱体。质量块受弹性杆、阻尼器、弹簧和滚轴四者共同约束作用，沿垂直于滚轴轴线方向运动；弹性杆一端固定于箱体，另一端与质量块相连，中部受支座固定约束，且支座对弹性杆的约束位置智能可调。该振动控制装置通过调整支座在滑道上的位置改变弹性杆的边界约束条件，进而改变质量块的运动刚度，形成了方便快捷、连续可调的可变刚度振动控制装置，满足跨海桥梁施工全过程结构状态不断变化对风浪流耦合作用下振动控制装置的变刚度需求，有效控制了跨海桥梁不同施工状态下的振动响应。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程防灾减灾技术领域，具体为一种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置。
背景技术
随着经济的发展，桥梁建设从内陆跨越江河向沿海跨越海湾甚至海峡发展。21世纪以来，我国相继建成了东海大桥、杭州湾大桥、青岛海湾大桥、港珠澳大桥等跨海大桥。目前，深中通道工程正在建设中，跨越琼州海峡、渤海海峡的巨型跨海通道工程正在规划研究。在国际上，世界各国也都在加快规划研究规模宏伟的跨越海湾、连接岛屿与大陆的跨海交通工程。
与跨越江河峡谷的桥梁相比，跨海桥梁面临风、波浪和水流的严峻挑战。在恶劣的海洋环境条件下，作用于跨海大桥基础上的风浪流耦合作用是巨大的，风浪流耦合作用引起的结构动态响应可能会超过允许的限度，导致结构变形、运动加速度超过限值，可能影响施工安全和运营安全。因此，为保障跨海桥梁结构的安全性和可靠性，非常有必要研究抑振装置控制风浪流耦合作用下桥梁结构的动力响应。
近年来，关于波浪作用下跨海桥梁振动控制的研究已取得一定进展，其中采用调谐质量阻尼器进行振动控制是一个主要研究方向。对于成桥状态桥梁结构，给定波浪条件，可以获得相应的最优刚度和阻尼参数。对于施工期的跨海桥梁，结构自身状态随着时间不断发生变化，桥梁自身的刚度和阻尼也随着发生变化。进而，不同施工状态所对应的调谐质量阻尼器的最优刚度和阻尼参数也是不同的，如采用常规的调谐质量阻尼器，则针对不同的施工状态，需要准备参数不同的多套调谐质量阻尼器，这显然难以在实际工程应用。
因此，要提高恶劣环境条件下跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置的适应性和可靠性，需要在现有振动控制装置的基础上做进一步革新。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，以有效控制跨海桥梁不同施工状态下的振动响应。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，该装置包括质量块1、阻尼器2、弹簧3、弹性杆4、滚轴5、支座6、滑道7和箱体8，其中：
所述质量块1设置于滚轴5上并与滚轴5滚动接触，质量块1的两侧均连接有弹簧3和阻尼器2，质量块1通过弹簧3及阻尼器2与箱体8的两内侧壁相连接，质量块1的前端与弹性杆4固定连接；
所述弹性杆4由金属材料制作而成，其一端固定于箱体8的一内侧壁，另一端与质量块1相连接，中部受支座6固定约束，且支座6对弹性杆4的约束位置智能可调；
所述滚轴5置于箱体8的底板上，滚轴5与箱体8的底板滚动接触；
所述支座6的顶部与弹性杆4临时固定连接，所述支座6的底部置于滑道7上，且沿滑道7滑动并临时锁定；
所述滑道7固定于箱体8的底板，滑道7与弹性杆4的中轴线平行；
所述箱体8的底部外表面上预留连接装置，以方便与桥梁结构临时固定。
上述方案中，所述质量块1受弹性杆4、阻尼器2、弹簧3和滚轴5四者共同约束作用，沿垂直于滚轴5轴线方向运动。
上述方案中，所述支座6的位置y即支座6顶部与质量块1的间距，该间距是连续可调的。
上述方案中，所述支座6顶部与所述质量块1的间距直接通过人工调节，或通过远程遥控进行自动调节。
上述方案中，所述质量块1运动刚度KT与所述支座6的位置y之间的关系采用函数表达KT＝K1+K(y)表示，其中K1是弹簧对质量块的约束刚度。
上述方案中，所述支座6的位置y与跨海桥梁当前施工状态的结构刚度和桥梁遭受的风、波浪、水流条件密切相关，采用函数J(y)取得最大值作为优化目标来确定y的最优解，其中
μ＝MT/MS (7)
λ＝ω/ωS (8)
其中，σ0和σ分别为安装振动控制装置前后风浪流耦合作用下桥梁位移响应均方根；H0和H分别为安装振动控制装置前后风浪流耦合作用下桥梁位移频响函数；ω为风浪流耦合作用荷载激励圆频率；KS为桥梁结构刚度；ωS为桥梁结构自振圆频率；ξS为桥梁结构阻尼比；ξT为振动控制装置的阻尼比；μ为质量块的质量与桥梁模态质量的比；SF为桥梁结构受到的风浪流耦合作用力谱；j为虚数单位。
上述方案中，当跨海桥梁的某个具体施工状态i遭遇极端风、波浪和水流条件时，根据所述公式(1)～公式(9)，确定针对该施工状态的最优化控制的支座位置yi，进而调节所述支座6的位置y，使得y＝yi。
上述方案中，该装置设置于风浪流耦合作用下施工全过程跨海桥梁振动位移最大的部位附近，例如桥塔顶部或主梁端部。
上述方案中，该装置根据质量块1的质量、阻尼器2的阻尼、弹簧3的刚度、弹性杆4的抗弯刚度和长度这些参数不同，制成型号不同的系列产品。
(三)有益效果
本发明提供的这种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，相对于现有技术具有以下有益效果：
1.本发明提供的这种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，通过调整支座在滑道上的位置改变弹性杆的边界约束条件，进而改变质量块的运动刚度，形成了方便快捷、连续可调的可变刚度振动控制阻尼器装置，满足了跨海桥梁施工全过程结构状态不断变化对风浪流耦合作用下振动控制装置的变刚度需求，有效控制了跨海桥梁不同施工状态下的振动响应，从而达到了跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的高效、快捷控制的目的。
2.本发明提供的这种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，针对具体的跨海桥梁施工状态和风、波浪和水流条件，以最优控制为目的，通过理论算法计算出支座的最佳位置，实现了精准控制，最大程度地保障了施工期桥梁结构安全。
3.本发明提供的这种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，能够通过人工现场或远程遥控调整支座的位置来实现最优控制，提高了在风暴潮等恶劣复杂条件下的振动控制的可靠性。
4.本发明提供的这种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，构造简单，所用材料都是常规材料，制作和安装非常方便。
附图说明
图1为本发明提供的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置的俯视示意图；
图2为本发明提供的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置的正视示意图；
图3为本发明提供的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置的侧视示意图；
图4为本发明提供的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置的力学模型示意图；
图5为本发明提供的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置的刚度与支座的位置的关系示意图；
图6为跨海桥梁施工全过程自身刚度与施工状态关系示意图；
附图标记：1-质量块；2-阻尼器；3-弹簧；4-弹性杆；5-滚轴；6-支座；7-滑道；8-箱体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参照图1、图2和图3，本发明提供的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，包括质量块1、阻尼器2、弹簧3、弹性杆4、滚轴5、支座6、滑道7和箱体8。
其中，质量块1设置于滚轴5上并与滚轴5滚动接触，质量块1的两侧均连接有弹簧3和阻尼器2，质量块1通过弹簧3及阻尼器2与箱体8的两内侧壁相连接，质量块1的前端与弹性杆4固定连接。质量块1可以采用铅、钢铁等高密度材料制作而成。
弹性杆4由金属材料制作而成，其一端固定于箱体8的侧壁，另一端与质量块1连接，中部受支座6固定约束，且支座6对弹性杆4的约束位置智能可调。弹性杆4采用钢铁等金属材料制作，截面形状可以是圆形、矩形、方形等，弹性杆材料、截面尺寸和长度等参数根据跨海桥梁施工全过程振动控制的刚度需求范围来确定；
滚轴5置于箱体8的底板上，滚轴5与箱体8的底板滚动接触。滚轴5采用高硬度材料制作，表面光滑，在实际应用中滚轴5与质量块1和箱体8的底板之间的滚动摩阻力越小越好。
支座6的顶部与弹性杆4临时固定连接，支座6的底部置于滑道7上，且沿滑道7滑动并临时锁定。支座6为拉压支座，可以承受弹性杆4对其产生的拉力或者压力。
滑道7固定于箱体8的底板，滑道7与弹性杆4的中轴线平行。箱体8由高强轻质材料制成，箱体外表面上预留连接装置，以方便与桥梁结构临时固定。
在本发明的实施例中，质量块1受弹性杆4、阻尼器2、弹簧3和滚轴5四者共同约束作用，能够沿垂直于滚轴5轴线方向运动。
所述支座6的位置y(即支座6的顶部与质量块1的间距)是连续可调，且可直接通过人工调节，或可通过远程遥控进行自动调节。通过改变支座6的位置y，改变弹性杆4的边界条件，从而改变弹性杆4对质量块1的约束刚度K(y)，最终改变质量块1的运动刚度KT和自振频率ωT，其中
如图4所示，所述质量块1运动刚度KT与支座6的位置y可以用函数表达为KT＝K1+K(y)，其中K1是弹簧3对质量块1的约束刚度。假设弹性杆4由等截面材料制成，抗弯刚度为EI，则K(y)＝3EI/y3。
如图5所示，所述质量块1、阻尼器2、弹簧3、弹性杆4、滚轴5、支座6、滑道7和箱体8共同构成了一个可变刚度的调谐质量阻尼器。
所述支座6的位置y与跨海桥梁当前施工状态的结构刚度和桥梁遭受的风、波浪和水流条件密切相关，可用函数J(y)取得最大值作为优化目标来确定y的最优解，其中：
μ＝MT/MS (7)
λ＝ω/ωS (8)
其中，σ0和σ分别为安装振动控制装置前后风浪流耦合作用下桥梁位移响应均方根；H0和H分别为安装振动控制装置前后风浪流耦合作用下桥梁位移频响函数；ω为荷载激励频率；KS为桥梁结构刚度；ωS为桥梁结构基本自振频率；ξS为桥梁结构阻尼比；ξT为振动控制装置的阻尼比；μ为质量块的质量与桥梁模态质量的比；SF为桥梁结构受到的风浪流耦合作用力谱；j为虚数单位。
当跨海桥梁的某个具体施工状态i遭遇极端风、波浪和水流条件时，根据上述公式(1)～公式(9)，确定针对该施工状态的支座的位置yi，进而调节支座的位置y，使得y＝yi。
如图6所示，跨海大跨度斜拉桥整个施工过程可以分解为不同的施工状态。不同的施工状态，桥梁结构的刚度和自振频率等参数是不同的，桥梁对风浪流耦合作用的响应特征也是不同的。因此，对于不同的施工状态，需要根据该状态的结构特征参数，针对性地设计该状态的振动控制装置。对于本发明而言，只需计算出与具体施工状态i相对应的支座的位置yi，并调整支座的位置y，使得y＝yi，就能达到仅使用一套振动控制装置实现跨海桥梁施工全过程的风浪流耦合作用激振的振动控制目的。
本发明提供的这种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，一般置于风浪流耦合作用下施工期跨海桥梁振动位移最大的部位附近，例如桥塔顶部或主梁端部。
本发明提供的这种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，可以根据质量块1的质量、阻尼器2的阻尼、弹簧3的刚度、弹性杆4的抗弯刚度和长度等参数不同，制成型号不同的系列产品。综合考虑跨海桥梁施工全过程不同阶段的振动控制需要，选择适合的型号。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，其特征在于，该装置包括质量块(1)、阻尼器(2)、弹簧(3)、弹性杆(4)、滚轴(5)、支座(6)、滑道(7)和箱体(8)，其中：
所述质量块(1)设置于滚轴(5)上并与滚轴(5)滚动接触，质量块(1)的两侧均连接有弹簧(3)和阻尼器(2)，质量块(1)通过弹簧(3)及阻尼器(2)与箱体(8)的两内侧壁相连接，质量块(1)的前端与弹性杆(4)固定连接；
所述弹性杆(4)由金属材料制作而成，其一端固定于箱体(8)的一内侧壁，另一端与质量块(1)相连接，中部受支座(6)固定约束，且支座(6)对弹性杆(4)的约束位置智能可调；
所述滚轴(5)置于箱体(8)的底板上，滚轴(5)与箱体(8)的底板滚动接触；
所述支座(6)的顶部与弹性杆(4)临时固定连接，所述支座(6)的底部置于滑道(7)上，且沿滑道(7)滑动并临时锁定；
所述滑道(7)固定于箱体(8)的底板，滑道(7)与弹性杆(4)的中轴线平行；
所述箱体(8)的底部外表面上预留连接装置，以方便与桥梁结构临时固定；
所述支座(6)的位置y即支座(6)顶部与质量块(1)的间距，该间距是连续可调的；
所述支座(6)的位置y与跨海桥梁当前施工状态的结构刚度和桥梁遭受的风、波浪、水流条件密切相关，采用函数J(y)取得最大值作为优化目标来确定y的最优解，其中：
μ＝MT/MS (7)
λ＝ω/ωS (8)
其中，σ0和σ(y)分别为安装振动控制装置前后风浪流耦合作用下桥梁位移响应均方根；H0(λ)和H(λ，y)分别为安装振动控制装置前后风浪流耦合作用下桥梁位移频响函数；ω为风浪流耦合作用荷载激励圆频率；KS为桥梁结构刚度；ωS为桥梁结构自振圆频率；ξS为桥梁结构阻尼比；ξT(y)为振动控制装置的阻尼比；μ为质量块的质量与桥梁模态质量的比；SF(λ)为桥梁结构受到的风浪流耦合作用力谱；j为虚数单位；
当跨海桥梁的某个具体施工状态i遭遇极端风、波浪和水流条件时，根据公式(1)～公式(9)，确定针对该施工状态的最优化控制的支座位置yi，进而调节所述支座(6)的位置y，使得y＝yi。
2.根据权利要求1所述的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，其特征在于，所述质量块(1)受弹性杆(4)、阻尼器(2)、弹簧(3)和滚轴(5)四者共同约束作用，沿垂直于滚轴(5)轴线方向运动。
3.根据权利要求1所述的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，其特征在于，所述支座(6)顶部与所述质量块(1)的间距直接通过人工调节，或通过远程遥控进行自动调节。
4.根据权利要求1所述的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，其特征在于，所述质量块(1)运动刚度KT与所述支座(6)的位置y之间的关系采用函数表达KT＝K1+K(y)表示，其中K1是弹簧对质量块的约束刚度。
5.根据权利要求1所述的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，其特征在于，该装置设置于风浪流耦合作用下施工全过程跨海桥梁振动位移最大的部位附近。
6.根据权利要求1所述的跨海桥梁施工全过程风浪流耦合作用激振的振动控制装置，其特征在于，该装置根据质量块(1)的质量、阻尼器(2)的阻尼、弹簧(3)的刚度、弹性杆(4)的抗弯刚度和长度这些参数不同，制成型号不同的系列产品。
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