CN114486137A - 一种桥梁激振减振一体化装置 - Google Patents
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Abstract
一种桥梁激振减振一体化装置，包括监测组件、减振与激振组件和控制组件，其将激振部件和减振部件集成到同一装置中，能够在桥梁发生风致振动时设置于桥面并对桥梁进行阻尼式的机械减振，并且能够在风致振动后直接对桥梁结构进行大振幅激励振动条件下的动力特性测试，不需要重新在桥梁上安装其他独立的减振和激励装置，有效地节省对桥梁结构进行动力特性测试的时间和成本，改善桥梁突发振动条件时的应急效率和管控能力。
Description
【技术领域】
本发明涉及桥梁结构控制和监测领域，尤其涉及一种桥梁激振减振一体化装置。
【背景技术】
风致振动是大跨度柔性桥梁的关键动力问题，其主要包括涡激振动、颤振、抖振等振动形式。长期的风致振动会造成桥梁结构在服役期内产生裂纹等疲劳破坏，还会直接影响桥梁行车安全性和舒适性。
目前，桥梁减振措施主要包括气动控制措施、结构措施和机械减振措施。其中机械减振措施通过设置调谐质量阻尼器等来消耗风致振动能量以及控制风致振动幅度，其能够有效减轻主梁涡激共振和抖振等风致振动。此外，一旦桥梁发生风致振动，在振动结束后必须对桥梁结构重新进行动力特性测定，以判断桥梁结构是否发生损坏，而采用激振器对桥梁进行主动激励振动能够快速有效对桥梁进行动力特性测试。现有的调节质量阻尼器和激振器都是分别单独进行减振和激振工作的，其无法实现减振与激振一体化操作。传统的桥梁结构损伤动力检测需要在桥梁结构风致振动结束后布置激振器，这一过程不仅耗费时间长以及需要反复安装与拆卸，从而增加对桥梁结构进行动力特性测试的人力成本与耗时，以及降低动力特性测试的准确性与可靠性。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种桥梁激振减振一体化装置，将激振部件和减振部件集成到同一装置中，能够在桥梁发生风致振动时对桥梁进行电磁阻尼式的减振，并且能够在风致振动后直接对桥梁结构进行动力特性测试，不需要重新在桥梁上安装和调试激振器，有效地节省对桥梁结构进行动力特性测试的时间和成本，以及提高动力特性测试的效率和可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种桥梁激振减振一体化装置，包括
监测组件、减振与激振组件和控制组件；
所述监测组件设置在桥梁上，用于采集桥梁位处风环境情况以及桥梁当前的振动动作信息；
所述减振与激振组件包括若干减振与激振单元和供电单元，不同所述减振与激振单元分别安装在桥梁的指定位置处；
所述控制组件用于根据所述桥梁当前的振动动作信息，确定所述桥梁当前是否处于风致振动状态；
当所述桥梁当前处于风致振动状态时，所述控制组件指示所述供电单元对所述减振与激振单元进行断电处理，使所述减振与激振组件对桥梁进行阻尼减振操作；
当所述桥梁当前处于风致振动结束状态时，所述控制组件指示所述供电电源对所述减振与激振单元进行供电处理，使所述减振与激振组件对桥梁施加激励作用。
在其中一实施例中，所述监测组件包括若干安装在所述桥梁指定位置的振动传感器；每个振动传感器检测其所在位置的桥梁振动幅度和桥梁振动频率；每个振动传感器分别与所述控制组件连接。
在其中一实施例中，所述振动传感器为加速度传感器或者光纤光栅传感器。
在其中一实施例中，所述监测组件还包括若干风速传感器、若干风向传感器和微控制器；所有风速传感器和风向传感器均与所述微控制器连接；每个风速传感器和每个风向传感器分别检测其安装位置对应的风速和风向；所述微控制器根据所述风速和/或所述风向，控制所述振动传感器的工作状态。
在其中一实施例中，所述微控制器根据所述风速和/或所述风向，控制所述振动传感器的工作状态具体为：所述微控制器在所述风速大于预设风速阈值和/或所述风向为特定方向时，指示所述振动传感器采集桥梁当前的振动动作信息；否则，所述微控制器指示所述振动传感器停止采集桥梁当前的振动动作信息。
在其中一实施例中，所述减振与激振单元包括电机和振子；所述振子的一端与所述电机连接，另一端通过弹簧与所述桥梁连接。
在其中一实施例中，当所述桥梁处于风致振动状态时，所述控制组件指示所述供电电源对所述电机进行断电处理；所述振子在所述桥梁的风致振动作用下带动所述电机内部的永磁铁运动，使所述电机内部对所述永磁铁产生的磁感线进行切割，从而形成电磁阻尼以对所述桥梁进行减振。
在其中一实施例中，当所述桥梁当前处于风致振动结束状态时，所述控制组件指示所述供电电源对所述电机进行供电处理；所述电机驱动所述振子进行往复运动，从而对所述桥梁进行激振。
在其中一实施例中，所述电机为直线步进电机。
在其中一实施例中，还包括桥梁结构动力检测组件；所述桥梁结构动力检测组件用于在所述减振与激振组件对桥梁进行激振时，检测桥梁内部结构是否发生损伤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本申请的提供的桥梁激振减振一体化装置，将激振部件和减振部件集成到同一装置中，即装置能够同时具有激振器和减振器的功能，能够在桥梁发生风致振动过程中及风致振动结束后，分别对桥梁进行电磁阻尼式的减振以及动力特性测试，并不需要重新在桥梁上安装额外的激振器，有效地节省对桥梁结构进行动力特性测试的时间和成本，以及实现桥梁减振与激振的快速衔接操作，从而有效提高桥梁风致振动后结构动力特性测试和快速减振应急的效率和可靠性。
【附图说明】
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请提供的桥梁激振减振一体化装置的结构示意图。
图2是图1所示的桥梁激振减振一体化装置的减振与激振组件对桥梁进行阻尼减振的原理示意图。
图3是图1所示的桥梁激振减振一体化装置的减振与激振组件对桥梁进行激振的原理示意图。
附图标记：1、桥梁；2、电机；3、振子；4、弹簧。
【具体实施方式】
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参阅图1所示，本申请一实施例提供的桥梁激振减振一体化装置，桥梁激振减振一体化装置包括监测组件、减振与激振组件和控制组件。控制组件分别与监测组件和减振与激振组件连接，实现与监测组件和减振与激振组件之间的数据交互以及控制操作。
监测组件设置在桥梁上，包括若干安装在桥梁的桥面和桥墩等不同位置上的振动传感器。每个振动传感器独立对其所在的安装位置进行振动检测。当桥梁发生振动时，桥梁的至少一部分结构会发生不同形式的振动，桥梁的每个振动传感器能够实时检测到相应位置的振动幅度和振动频率。通常而言，当桥梁当前所处外界环境情况越复杂越恶劣，桥梁因振动产生的振动幅度越大、发生风致损坏的可能性越高。利用安装在桥梁不同位置的振动传感器，能够精确和及时地检测到桥梁的振动动作信息。
每个振动传感器分别与控制组件无线连接或者有线连接，每个振动传感器能够将检测得到的桥梁振动幅度和桥梁振动频率实时发送到控制组件。桥梁在外界环境中会受到大气流动、海浪冲击或者地震等因素影响下，均会发生振动，即大气流动并不是桥梁发生振动的唯一直接原因，并且桥梁所发生的风致振动并不一定属于涡振、颤振等特定风致振动状态。通过控制组件分析桥梁振动幅度、振动频率和振动形态，能够获知桥梁当前是否处于特定风致振动状态。实际上，当桥梁处于涡振、颤振等风致振动状态时，控制组件可根据桥梁振动幅度、振动频率和振动形态，快速准确地确定桥梁当前是否处于特定风致振动状态。其中，确定桥梁当前的振动幅度、振动频率和振动形态属于本领域的常规技术手段，这里不做详细的阐述。
可选地，振动传感器可为但不限于是加速度传感器或者光纤光栅传感器。其中，加速度传感器可为三轴加速度传感器，这样能够对振动传感器所安装的位置进行空间三轴方向的加速度检测；光纤光栅传感器通过在桥梁相应位置上设置相应的光纤光栅、激光器和光接收器，当桥梁发生振动时，光纤光栅上传输的激光会相应发生不同的衍射，通过分析激光的衍射特性，能够准确得到桥梁的振动动作信息。
减振与激振组件包括若干减振与激振单元和供电单元。每个减振与激振单元分别安装在桥梁的指定位置处，并进行独立的减振与激振工作。供电单元通过独立供电线路与每个减振与激振单元连接，从而对每个减振与激振单元进行独立供电。控制组件还与供电单元进行连接，控制供电单元对减振与激振单元的供电与否状态。
请参阅图2至图3所示，本申请一实施例提供的桥梁激振减振一体化装置的减振与激振组件对桥梁进行阻尼减振和激振的原理示意图。
每个减振与激振单元均包括电机2和振子3。振子3的一端与电机2的动力输出端连接，振子3的另一端通过弹簧4与桥梁1连接。当电机2处于断电状态或者通电状态时，能够分别对桥梁1进行减振作用或者激振作用。
当桥梁1处于风致振动状态时，控制组件指示供电电源对电机2停止运行。此时电机2内部的转子并不能相对于定子转动。但是由于振子3的一端与电机2的动力输出端连接，振子3的另一端通过弹簧4与桥梁2连接，这样桥梁1在风致振动下会通过弹簧4同步带动振子3振动，而振子3的振动也会同步带动电机2内部的永磁体运动。此时电机2内部会对永磁体产生的磁感线进行切割，在对磁感线切割过程中，电机2内部的感应线圈会形成电涡流，该电涡流产生的磁场会反作用于永磁体，从而形成相应的电磁阻尼。该电磁阻尼会作用于桥梁1上，从而对桥梁1进行减振作用。
此外，该电磁阻尼的大小与电机2内部的感应线圈匝数、感应线圈的电阻和永磁体的设置位置相关。当感应线圈匝数越多，感应线圈形成的电涡流越大，该电磁阻尼也越大。当感应线圈的电阻越小，感应线圈形成的电涡流越大，该电磁阻尼也越大。并且还可调整永磁体与感应线圈的相对位置，增大电涡流产生的磁场对永磁体的作用力面积，从而增大电磁阻尼。
通过电机2内部自带的感应线圈和永磁体，并利用桥梁1风致振动带动永磁体进行运动而产生磁感线切割效应，以触发感应线圈形成电涡流，并且利用电涡流产生的磁场反作用于永磁体，从而提供电磁阻尼。上述电磁阻尼的形成过程并不需要额外设置其他部件，仅仅利用电机2即可形成，从而提高电磁阻尼产生的便捷性。
当桥梁1当前处于风致振动结束状态时，控制组件指示供电电源对电机2进行供电处理。此时电机2的动力输出端对振子3输出周期性的往复驱动力，以驱动振子3进行往复运动，而振子3的往复运动通过弹簧4传递到桥梁1上，从而同步激发桥梁1进行往复振动。通过上述方式对桥梁1进行激振，能够便于在激振过程中对桥梁1进行相应的桥梁结构动力检测，以确定桥梁1在风致振动过程中是否造成结构损伤。
另外，电机2可为但不限于是直线步进电机。该电机在断电状态下作为调谐质量阻尼器，用于对桥梁进行减振；而在通电状态下作为主动激振器，用于对桥梁进行激振。
桥梁激振减振一体化装置还可包括桥梁结构动力检测组件。当减振与激振组件的电机开启工作对桥梁主动施加激振作用时，桥梁结构动力检测组件会采集桥梁在激振作用下的结构动力特性数据，依据所采集的结构阻尼比、频率等相关数据，确定桥梁内部结构的损伤状态信息，若确定桥梁内部结构因振动而产生损伤可及时对桥梁进行封闭和维护。其中，根据结构动力特性数据确定桥梁内部结构的损伤状态信息属于桥梁结构测试的常规手段，这里不做详细的阐述。
还有，桥梁发生振动并不一定是风致振动造成的，此时若指示振动传感器采集桥梁的振动动作信息，会给振动传感器带来额外的工作负担。通过在监测组件中设置若干风速传感器、若干风向传感器和微控制器。风速传感器和风向传感器一一对应安装于所减振与激振单元所在位置处；所有风速传感器和所有风向传感器均与微控制器连接；每个风速传感器和每个风向传感器分别检测其安装位置对应的风速和风向。微控制器在风速大于预设风速阈值和/或风向为特定方向时，指示振动传感器采集桥梁当前的振动动作信息；否则，微控制器指示振动传感器停止采集桥梁当前的振动动作信息。通过微控制器对风速传感器和风向传感器采集得到的风速数据和风向数据进行分析，保证只有桥梁当前所处外界环境达到相应的风速和风向条件后，才指示振动传感器采集桥梁的振动动作信息，从而保证采集得到的振动动作信息是与桥梁在大气流动作用相关的。
上述仅为本发明的一个具体实施方式，其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，包括监测组件、减振与激振组件和控制组件；
所述监测组件设置在桥梁上，用于采集桥梁位处风环境情况以及桥梁当前的振动动作信息；
所述减振与激振组件包括若干减振与激振单元和供电单元，不同所述减振与激振单元分别安装在桥梁的指定位置处；
所述控制组件用于根据所述桥梁当前的振动动作信息，确定所述桥梁当前是否处于风致振动状态；
当所述桥梁当前处于风致振动状态时，所述控制组件指示所述供电单元对所述减振与激振单元进行断电处理，使所述减振与激振组件对桥梁进行阻尼减振操作；
当所述桥梁当前处于风致振动结束状态时，所述控制组件指示所述供电电源对所述减振与激振单元进行供电处理，使所述减振与激振组件对桥梁施加激励作用。
2.根据权利要求1所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，所述监测组件包括若干安装在所述桥梁指定位置的振动传感器；每个振动传感器检测其所在位置的桥梁振动幅度和桥梁振动频率；每个振动传感器分别与所述控制组件连接。
3.根据权利要求2所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，所述振动传感器为加速度传感器或者光纤光栅传感器。
4.根据权利要求2所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，所述监测组件还包括若干风速传感器、若干风向传感器和微控制器；所有风速传感器和风向传感器均与所述微控制器连接；每个风速传感器和每个风向传感器分别检测其安装位置对应的风速和风向；所述微控制器根据所述风速和/或所述风向，控制所述振动传感器的工作状态。
5.根据权利要求4所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，所述微控制器根据所述风速和/或所述风向，控制所述振动传感器的工作状态具体为：所述微控制器在所述风速大于预设风速阈值和/或所述风向为特定方向时，指示所述振动传感器采集桥梁当前的振动动作信息；否则，所述微控制器指示所述振动传感器停止采集桥梁当前的振动动作信息。
6.根据权利要求4所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，所述减振与激振单元包括电机和振子；所述振子的一端与所述电机连接，另一端通过弹簧与所述桥梁连接。
7.根据权利要求6所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，当所述桥梁处于风致振动状态时，所述控制组件指示所述供电电源对所述电机进行断电处理；所述振子在所述桥梁的风致振动作用下带动所述电机内部的永磁铁运动，使所述电机内部对所述永磁铁产生的磁感线进行切割，从而形成电磁阻尼以对所述桥梁进行减振。
8.根据权利要求6所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，当所述桥梁当前处于风致振动结束状态时，所述控制组件指示所述供电电源对所述电机进行供电处理；所述电机驱动所述振子进行往复运动，从而对所述桥梁进行激振。
9.根据权利要求6所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，所述电机为直线步进电机。
10.根据权利要求6所述的桥梁激振减振一体化装置，其特征在于，还包括桥梁结构动力检测组件；所述桥梁结构动力检测组件用于在所述减振与激振组件对桥梁进行激振时，检测桥梁内部结构是否发生损伤。
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| Publication number | Publication date |
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