CN114214923B - 一种桥梁阻尼伸臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥梁阻尼伸臂系统，基于桥梁本体，桥梁本体包括横置的实现跨越的主梁结构和竖向布置的竖向承重结构，竖向承重结构包括桥塔和桥墩，主梁在靠近竖向承重结构的位置设有伸臂，伸臂的一端与主梁刚性连接，另一端设有球铰，竖向承重结构上设有支架，支架上设有球铰，主梁和支架上的球铰之间安装有阻尼器进行连接。与现有技术相比，本发明具有抑制桥梁振动幅度，显著提升桥梁主梁多阶振动模态阻尼，有效减少风等作用下桥梁结构振动等优点。

Description

一种桥梁阻尼伸臂系统

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是涉及一种桥梁阻尼伸臂系统。

背景技术

桥梁是重要的基础设施结构，主要有梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等类型。桥梁包括主梁、桥墩、桥塔、拱肋以及拉索、主缆和吊杆等构件，其中主梁横向放置，实现跨越承担行驶车辆和行人的功能，桥墩和桥塔承托主梁。大跨度桥梁采用拉索、主缆、吊杆传递桥塔和拱肋对主梁的承托力。随着桥梁跨度的增加，桥梁越来越轻柔、自身阻尼和消耗能量的能力弱，易发生振动，且振动呈现出多模态、宽频段的特征，是制约桥梁发展和威胁桥梁安全性和适用性的瓶颈难题。

目前，桥梁进行抗风振主要采用气动措施，设计具有良好气动外型的主梁截面、增加导流板等。但是随着跨度的增大，气候条件的恶化，气动措施已经不能完全抑制桥梁(尤其是大跨度桥梁)的振动。例如，近年来，各地的多座大桥都出现了大幅的振动，导致桥梁关闭，造成巨大经济损失和不良社会影响。

因此，在桥梁气动抗风措施之外，需要增加桥梁的阻尼抑制振动。目前，在桥梁的主梁-桥塔连接位置、主梁和桥墩连接位置，有采用水平粘滞阻尼器消耗主梁纵向位移时的能量，达到降低地震响应和减小车辆制动力等纵向力引起的桥梁纵向响应的功能，该阻尼器不能抑制桥梁横向和竖向振动。现有研究提出了调谐质量阻尼器抑制主梁竖向振动的方法，调谐质量阻尼器通过调谐使得装置的频率与桥梁振动的模态频率接近，将桥梁的振动能量转移引起质量块的振动，起到吸能并进而通过与质量块连接的阻尼器耗能。为了达到较好的控制效果，调谐质量阻尼器需要很重的质量块，且安装在桥梁跨中或接近跨中的位置；同时，一个位置安装和调谐的装置仅能针对一个桥梁振动模态和窄频段的振动起到减振作用，当风等外在荷载激励起其他模态的桥梁振动时，调谐质量阻尼器不能起到减振作用，针对多阶模态振动需要在不同位置安装多个调谐质量阻尼器。在柔性桥梁跨中增加大吨位的质量阻尼器，会引起桥梁的竖向变形，增大拉索、主缆、吊杆等构件的受力；同时，采用箱型截面的桥梁易出现振动，但是截面高度一般较小，安装调谐质量阻尼器的空间有限；调谐质量阻尼器一旦出现失谐状况，减振作用大大降低；安装在跨中小空间的质量阻尼器，维护和保养、更换都非常困难，一般需要关闭桥梁。

针对桥梁主梁的竖向振动，调谐质量阻尼器在现有工程中有一定应用，但是存在上述问题，尚缺乏其他有效实用的桥梁主梁竖向振动阻尼提升和消能方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种桥梁阻尼伸臂系统，有效提升桥梁主梁多种模态的竖向振动(包括竖向弯曲和竖向扭转)的阻尼，同时对桥梁横向和纵向振动起到一定抑制作用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种桥梁阻尼伸臂系统，基于桥梁本体，所述桥梁本体包括横置的实现跨越的主梁和竖向布置的竖向承重结构，所述竖向承重结构包括桥塔和桥墩，所述主梁在靠近竖向承重结构的位置设有伸臂，所述伸臂的一端与主梁刚性连接，另一端设有球铰，所述竖向承重结构上设有支架，所述支架上设有球铰，所述主梁和支架上的球铰之间安装有阻尼器进行连接。

所述伸臂传递主梁相对于竖向承重结构的横向运动、纵向运动和竖向运动，将主梁竖向运动产生的转角转变为伸臂与阻尼器的连接端沿主梁的轴线方向的运动，从而带动阻尼器变形消耗桥梁振动能量，实现抑制桥梁振动幅度的目的；伸臂同时传递主梁的多阶模态振动引起伸臂的平动和转动，提升桥梁多阶振动阻尼。

所述伸臂和支架具有足够的刚度保证主梁振动的传递和转换、具有足够的承载力保证力传递的安全性和稳定性。

所述阻尼器的类型包括粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、橡胶阻尼器、摩擦型阻尼器、电涡流阻尼器或金属阻尼器。

所述阻尼器的位置优选为轴线水平且与主梁的中轴线平行，所述阻尼器的轴线与水平线以及主梁的轴线的夹角小于或等于45度。

所述伸臂具体为型材通过焊接、螺栓连接形成的桁架，所述桁架的材料包括钢材、钢管混凝土和复合材料。

所述伸臂与主梁刚性连接的方式包括螺栓、焊接或浇筑，所述伸臂与主梁的连接处设有加固件，所述加固件的类型包括钢横梁、横隔板或混凝土浇筑填充，所述伸臂的另一端通过螺栓安装球铰。

所述竖向承重结构与支架的连接方式包括焊接、螺栓或预埋件，所述支架的另一端通过螺栓安装球铰。

所述阻尼器的竖向布设方式包括布设一道或者分层布设多道，横向布设方式包括布设一道或者布设多道，横向布设一道阻尼器时阻尼器的位置优选为布设在主梁的轴线位置，横向布设多道阻尼器时阻尼器的位置优选为对称布设在主梁的轴线两侧，所述阻尼器布设在竖向承重结构的单侧或双侧，双侧布设时可进一步减小每个阻尼器的尺寸。

所述阻尼器的阻尼系数或多个阻尼器的总等效阻尼系数与阻尼器的轴线距离主梁的竖向间距的乘积根据桥梁本体的结构参数和针对的主梁振动模态进行优化，当增大阻尼器的轴线距离主梁的竖向间距时，阻尼器的尺寸相应减小。

所述阻尼器的行程根据桥梁主梁三个方向的振动容许幅值和温度作用下主梁的伸缩变形确定。

所述桥梁本体仅包括两个位于主梁两端的竖向承重结构时，所述伸臂、球铰和阻尼器布设在主梁的一端或两端的竖向承重结构上；所述桥梁本体包括位于主跨、边跨和多个中跨的竖向承重结构时，所述伸臂、球铰和阻尼器布设在一个以上的竖向承重结构上。

所述伸臂布设在主梁的轴线方向靠近竖向承重结构的位置，优选为伸臂沿着主梁轴线方向与竖向承重结构之间设有一定的间距。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出的阻尼伸臂，抑制桥梁振动尤其是竖向振动的转角变形，而传统减振阻尼主要振动桥梁的三个方向的线位移。

2.桥梁主梁在端部及桥塔位置一般设置竖向、横向支座、或者采用漂浮体系，不限制主梁的转角，因此桥梁各阶竖向振动时，对应振型在主梁端部、桥塔位置的转角均较大，本发明通过安装抑制转角的阻尼器能发生较大变形，有效减振耗能，对多阶振动、主梁竖弯和扭转振动均生效。

3.本发明的伸臂将转角转变为线位移，利用伸臂的长度可以起到放大变形和放大阻尼力的双重效果，能有效减小阻尼器的尺寸。

4.本发明的阻尼伸臂能够利用桥梁本身的构件：主梁、桥塔、桥墩安装，同时桥梁(尤其是大跨桥梁)主梁在端部会进行加强，具备安装刚性伸臂的条件，伸臂系统在近塔、墩处安装，对桥梁受力、抗风性能等影响很小，同时，可以根据需要在竖向承重结构上设置竖向支座，直接分担伸臂的重量。

5.本发明的阻尼伸臂在近塔、桥墩处安装，各个桥塔、桥墩处均可安装，多个位置安装能够提升阻尼效果和覆盖的更多桥梁振动模态和更宽振动频段，可在桥塔两侧安装、阻尼器可以沿主梁横向和沿高度方向分层安装，减小单个阻尼器的尺寸和吊装重量。

6.本发明的阻尼伸臂在靠近桥塔位置安装，维护、更换和保养时方便，可在不关闭桥梁的情况下进行，具有较高的灵活性。

7.本发明的阻尼伸臂可以替代现有安装主梁底部的塔梁间的用于抗震的水平阻尼器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在某悬索桥上实施后桥梁及阻尼伸臂的有限元模型示意图；

图3为本发明在某悬索桥上实施后桥梁的四阶竖向振动模态阻尼与阻尼器系数之间的关系曲线。

附图标记：

1-主梁；2-竖向承重结构；3-伸臂；4-阻尼器；5-支架；6-球铰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1和图2所示，一种桥梁阻尼伸臂系统，利用伸臂传递主梁相对于桥塔墩的横向运动、纵向运动和竖向运动，并将主梁竖向运动产生的转角转变为伸臂与阻尼器连接端的纵向运动，从而带动阻尼器变形消耗桥梁振动能量，实现抑制桥梁振动幅度的目的；通过伸臂传递主梁的多阶模态振动时引起的伸臂平动和转动，同时提升桥梁多阶振动阻尼。利用本阻尼伸臂的“位移和转角抑制效应”，显著提升桥梁主梁多个模态振动的阻尼，从而达到消能减振的目的。

桥梁阻尼伸臂系统基于桥梁本体，桥梁本体包括横置的实现跨越的主梁1和竖向布置的竖向承重结构2，竖向承重结构2包括桥塔和桥墩，主梁1在靠近竖向承重结构2的位置设有伸臂3，伸臂3的一端与主梁1刚性连接，另一端设有球铰6，竖向承重结构2上设有支架5，支架5上设有球铰6，主梁1和支架5上的球铰6之间安装有阻尼器6进行连接。

伸臂3传递主梁1相对于竖向承重结构2的横向运动、纵向运动和竖向运动，将主梁1竖向运动产生的转角转变为伸臂3与阻尼器6的连接端沿主梁1的轴线方向的运动，从而带动阻尼器6变形消耗桥梁振动能量，实现抑制桥梁振动幅度的目的；伸臂3同时传递主梁1的多阶模态振动引起伸臂3的平动和转动，提升桥梁多阶振动阻尼。

伸臂3和支架5具有足够的刚度保证主梁1振动的传递和转换、具有足够的承载力保证力传递的安全性和稳定性。

阻尼器6的类型包括粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、橡胶阻尼器、摩擦型阻尼器、电涡流阻尼器或金属阻尼器。

本实施例中，伸臂3上的球铰6和支架5上的球铰6采用粘滞阻尼器连接，粘滞阻尼器水平安装。

阻尼器6的位置优选为轴线水平且与主梁1的中轴线平行，阻尼器6的轴线与水平线以及主梁1的轴线的夹角小于或等于45度。

伸臂3具体为型材通过焊接、螺栓连接形成的桁架，桁架的材料包括钢材、钢管混凝土和复合材料。

伸臂3与主梁1刚性连接的方式包括螺栓、焊接或浇筑，伸臂3与主梁1的连接处设有加固件，加固件的类型包括钢横梁、横隔板或混凝土浇筑填充，伸臂3的另一端通过螺栓安装球铰6。

竖向承重结构2与支架5的连接方式包括焊接、螺栓或预埋件，支架5的另一端通过螺栓安装球铰6，本实施例中，支架5采用预埋件和螺栓连接固定在竖向承重结构2上。

阻尼器6的竖向布设方式包括布设一道或者分层布设多道，横向布设方式包括布设一道或者布设多道，横向布设一道阻尼器6时阻尼器6的位置优选为布设在主梁1的轴线位置，横向布设多道阻尼器6时阻尼器6的位置优选为对称布设在主梁1的轴线两侧，阻尼器6布设在竖向承重结构2的单侧或双侧。

本实施例中，在主梁轴向两端对称各布置一个阻尼伸臂系统。

阻尼器6的阻尼系数或多个阻尼器4的总等效阻尼系数与阻尼器4的轴线距离主梁1的竖向间距的乘积根据桥梁本体的结构参数和针对的主梁振动模态进行优化，当增大阻尼器4的轴线距离主梁1的竖向间距时，阻尼器4的尺寸相应减小。

阻尼器4的行程根据桥梁主梁三个方向的振动容许幅值和温度作用下主梁的伸缩变形确定。

桥梁本体仅包括一个主跨的两个位于主梁端部的竖向承重结构2时，伸臂3、球铰6和阻尼器4布设在主梁1的一端或两端的竖向承重结构2上；桥梁本体包括位于主跨、边跨和多个中跨的竖向承重结构2时，伸臂3、球铰6和阻尼器4布设在一个以上的竖向承重结构2上。

伸臂3布设在主梁1的轴线方向靠近竖向承重结构2的位置，优选为伸臂3沿着主梁轴线方向与竖向承重结构2之间设有一定的间距。

本实施例中，从较小的阻尼系数开始按一定增量取一系列阻尼器系数，采用有限元方法分别分析悬索桥各阶的模态阻尼，得到各阶模态阻尼随着阻尼系数增加的变化曲线，如图3所示。可见本发明提出的阻尼伸臂能有效提升悬索桥的阻尼，对于竖向振动的多阶模态，阻尼比能提升至0.01以上；存在一个最优的阻尼系数，使得各阶阻尼比达到最大值。

考虑如图3的四阶竖向振动模态，优化使得四阶模态阻尼比中的最小值达到最大，优化的阻尼器系数及对应各阶的阻尼比如表1所示，表1如下：

表1本发明在某悬索桥上实施并参数优化后的代表性模态阻尼比

在本发明中，提出了通过抑制桥梁主梁振动时的转角变形而不是线位移的理念，特引入伸臂桁架将主梁转角转变为线位移，进而带动阻尼器耗能提供阻尼。本发明为桥梁振动尤其是易发生的竖向弯曲振动和扭转振动提供了一种新的抑振思路和具体实现方案，解决了大跨度桥梁振动阻尼提升难题。其次，本发明通过球铰连接，使得主梁在各向振动时，阻尼器均能起到一定阻尼作用同时保护阻尼器及连接件不受破坏。阻尼伸臂在主梁端部安装，设计、安装、维护和更换均方便，具有极强的工程实用性。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种桥梁阻尼伸臂系统，其特征在于，基于桥梁本体，所述桥梁本体包括横置的实现跨越的主梁(1)和竖向布置的竖向承重结构(2)，所述竖向承重结构(2)包括桥塔和桥墩，所述主梁(1)在靠近竖向承重结构(2)的位置设有伸臂(3)，所述伸臂(3)的一端与主梁(1)刚性连接，另一端设有球铰(6)，所述竖向承重结构(2)上设有支架(5)，所述支架(5)上设有球铰(6)，所述主梁(1)和支架(5)上的球铰(6)之间安装有阻尼器(4)进行连接；

所述阻尼器(4)的位置为轴线水平且与主梁(1)的中轴线平行，所述阻尼器(4)的轴线与水平线以及主梁(1)的轴线的夹角小于或等于45度；

所述阻尼器(4)的竖向布设方式包括布设一道或者分层布设多道，横向布设方式包括布设一道或者布设多道，横向布设一道阻尼器(4)时阻尼器(4)的位置为布设在主梁(1)的轴线位置，横向布设多道阻尼器(4)时阻尼器(4)的位置为对称布设在主梁(1)的轴线两侧，所述阻尼器(4)布设在竖向承重结构(2)的单侧或双侧；

所述伸臂(3)具体为型材通过焊接、螺栓连接形成的桁架，所述桁架的材料包括钢材、钢管混凝土和复合材料；

所述阻尼器(4)的阻尼系数或多个阻尼器(4)的总等效阻尼系数与阻尼器(4)的轴线距离主梁(1)的竖向间距的乘积根据桥梁本体的结构参数和针对的主梁振动模态进行优化，当增大阻尼器(4)的轴线距离主梁(1)的竖向间距时，阻尼器(4)的尺寸相应减小；

所述伸臂(3)布设在主梁(1)的轴线方向靠近竖向承重结构(2)的位置，伸臂(3)沿着主梁轴线方向与竖向承重结构(2)之间设有一定的间距。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁阻尼伸臂系统，其特征在于，所述伸臂(3)传递主梁(1)相对于竖向承重结构(2)的横向运动、纵向运动和竖向运动，将主梁(1)竖向运动产生的转角转变为伸臂(3)与阻尼器(4)的连接端沿主梁(1)的轴线方向的运动，伸臂(3)同时传递主梁(1)的多阶模态振动引起伸臂(3)的平动和转动。

3.根据权利要求1所述的一种桥梁阻尼伸臂系统，其特征在于，所述阻尼器(4)的类型包括粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、橡胶阻尼器、摩擦型阻尼器、电涡流阻尼器或金属阻尼器。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁阻尼伸臂系统，其特征在于，所述伸臂(3)与主梁(1)刚性连接的方式包括螺栓、焊接或浇筑，所述伸臂(3)与主梁(1)的连接处设有加固件，所述加固件的类型包括钢横梁、横隔板或混凝土浇筑填充。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁阻尼伸臂系统，其特征在于，所述桥梁本体仅包括一个主跨的两个位于主梁端部的竖向承重结构(2)时，所述伸臂(3)、球铰(6)和阻尼器(4)布设在主梁(1)的一端或两端的竖向承重结构(2)上；所述桥梁本体包括位于主跨、边跨和多个中跨的竖向承重结构(2)时，所述伸臂(3)、球铰(6)和阻尼器(4)布设在一个以上的竖向承重结构(2)上。

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