CN114718981B - 一种利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，涉及土木工程的桥梁结构减震控制技术领域，包括，底座板，底座板的上表面的中心位置为平面，由平面向外通过多个依次拼接的弧面延伸，多个弧面的曲率半径由内到外依次减小，平面和弧面上均设置有第一导体板；外筒，外筒的内壁上设置有第二导体板，外筒的底部设置有多个第一电磁体和万向转动体，万向转动体与底座板的上表面接触；压重块，压重块设置于外筒的内部，压重块的顶端和底端分别通过竖向弹簧与外筒的顶壁和底壁固定连接，压重块的外侧壁上间隔设置有多个第二电磁体。本发明能够实现电涡流阻尼竖向调谐减震以及电涡流阻尼多级变频水平调谐减震。

Description

一种利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置

技术领域

本发明涉及土木工程的桥梁结构减震控制技术领域，更具体的说是涉及一种利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置。

背景技术

随着基础设施的现代化进程，长大跨桥梁作为交通运输工程的关键枢纽，其在车辆荷载、波浪荷载等运营荷载作用及地震、强台风等极端灾害作用下的安全运营对于保障灾后救援工作的顺利进行至关重要。结构减震控制技术作为防震减灾的重要技术手段，在长大跨桥梁中得到了广泛应用，常用的调谐减震装置如质量调谐阻尼器、液体调谐阻尼器、主动调谐质量阻尼器等，其原理是利用外加质量、刚度和阻尼组成谐振系统耗散主体结构的振动能量，其本质是利用子结构系统的“鞭梢效应”来吸收主体结构的振动能量，从而达到耗散振动能量的目的。值得注意的是，传统的调谐减震装置需要附加质量块，其减震效果依赖于调谐质量块自重，因而会显著增加结构自重，且其调谐频率、调谐方向单一，难以满足多维、多级设防减震的需求。同时，主动调谐减震装置需要外部能量输入，由于大跨度桥梁结构自重大，强震、强风等极端作用与车辆荷载、波浪荷载等运营荷载作用下长跨径桥梁主动调谐减震装置的能量需求很大，故实现成本高，适用性难以满足工程需求。

电涡流阻尼减震技术是一种利用磁场与导体的相对运动产生阻尼力来提升阻尼性能的非接触减震新技术。电涡流阻尼产生的基本原理是：当处于局部磁场中的导体板切割磁力线时会在导体板中产生电涡流，电涡流又会产生与原磁场方向相反的新磁场，从而在原磁场和导体之间形成阻碍二者相对运动的阻尼力，同时导体板的电阻效应将导体板获得的动能通过电涡流转换为热能耗散出去。

但是，现有的长大跨桥梁多采用缆索支承体系，如斜拉桥、悬索桥等结构体系，其特点是中跨跨度显著大于边跨跨度，因而中跨竖向荷载显著大于边跨竖向荷载，使得拉索两边荷载不平衡，故运营荷载作用下中跨荷载对桥塔的弯矩远大于边跨对桥塔的弯矩，故桥塔长期处于向中跨一侧的受弯状态。为解决此问题，常在边跨的箱梁中设置压重块以抵消桥塔的不平衡弯矩。传统的桥梁压重块一般仅放置于箱梁中，具有平衡中跨自重与竖向减振的功能。然而，长大跨桥梁边跨设置的压重块功能单一，自身质量利用效率低，尽管可以用于竖向减振，但其存在调谐频率、调谐方向单一，阻尼减振效率低，应对车辆荷载、波浪荷载等运营荷载作用及地震、台风等极端灾害作用的适用性差。

因此，如何提供一种能够解决传统桥梁压重块功能单一、自身质量利用效率低，调谐减震频率、方向单一，阻尼减震效率低，应对车辆荷载、波浪荷载等运营荷载作用及地震、强台风等极端自然灾害作用等不确定性灾害风险的适用性差等不足，且能够利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，旨在解决上述背景中的技术问题之一，实现非接触阻尼耗能，以及强震、强风等不确定性极端灾害与车辆荷载、波浪荷载等运营荷载作用下长大跨桥梁多维减震控制，保障桥梁运营、抗震安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，包括：

底座板，所述底座板上表面的中心位置为平面，由平面向外通过多个依次拼接的弧面延伸，多个弧面的曲率半径由内到外依次减小，平面和弧面上均设置有第一导体板；

外筒，所述外筒的内壁上设置有第二导体板，所述外筒的底部设置有多个第一电磁体和万向转动体，所述万向转动体与所述底座板的上表面接触；

压重块，所述压重块设置于所述外筒的内部，所述压重块的顶端和底端分别通过竖向弹簧与所述外筒的顶壁和底壁固定连接，所述压重块的外侧壁上间隔设置有多个第二电磁体。

采用上述技术方案的有益效果是：通过在压重块的外壁设置有第二电磁体，外筒的内壁设置有第二导体板，当发生竖向振(震)动时，压重块在竖向运动，第二导体板与第二电磁体发生相对运动，第二导体板切割第二电磁体产生的磁力线时，在第二导体板中产生电涡流，进而能够实现电涡流阻尼竖向调谐减震；当发生水平振(震)动时，由于万向转动体的设置，外筒在底座板上运动，使得第一电磁体与第一导体板发生相对运动，第一导体板切割第一电磁体产生的磁力线时，在第一导体板中产生电涡流，实现水平方向的电涡流阻尼减震。万向转动体的设置大大减小外筒水平启动力，可适用于运营荷载(如车辆振动、风振荷载、波浪荷载)作用下的长大跨桥梁主梁减振控制；使得本发明能够适用于极端灾害(如地震、强台风)作用下的长大跨桥梁减震控制，可实现振震双控。通过将底座板的上表面设置为平面和由多个曲率半径不同的弧面依次拼接而成，进而实现该减震装置具有多级变频滚动面，从而实现电涡流阻尼多级变频水平调谐减震，且可利用压重块的重力实现自复位功能，还能拓宽该振(震)装置的调谐频率范围，显著改善了用于桥梁多维减震的适用性；同时结合竖向电涡流阻尼、水平电涡流阻尼和重量块的调谐减震，能够实现利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震，有效提升了传统桥梁压重块的调谐减震效率与用于桥梁多维减震的适用性、耐久性。

根据本发明的一些实施例，该利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置还包括立柱，所述立柱设于所述外筒内部的中心位置，所述立柱的两端分别与所述外筒的内壁固定连接，所述立柱的外壁设置有第三导体板，所述压重块的中心位置具有与所述立柱配合的贯穿通道，所述贯穿通道的内壁上设置有多个第三电磁体，所述压重块通过所述贯穿通道套设在所述立柱的外侧，所述第三电磁体与所述第三导体板间隙配合。

采用上述技术方案的有益效果是：通过第三导体板和第三电磁体的设置，在发生竖向振(震)动时，能够在第三导体板中产生电涡流，提升竖向电涡流阻尼，实现压重块调谐减震，同时由于立柱和贯穿通道的设置能够确保压重块沿着立柱在竖直方向上的运动。

根据本发明的一些实施例，该利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置还包括位移相关型电流控制器，所述位移相关型电流控制器分别与所述第一电磁体、第二电磁体和第三电磁体电连接，所述位移相关型电流控制器通过所述压重块与所述外筒的位移变化自适应控制电流大小，实现电涡流阻尼自适应调节。

进一步地，所述万向转动体包括滚珠和润滑层，所述外筒的底部具有滚珠容纳腔，所述润滑层设于所述滚珠容纳腔内，所述滚珠容纳腔通过所述润滑层与所述滚珠铰接。

进一步地，所述压重块的顶端和底端的所述竖向弹簧均设有多个，所述压重块的顶端和底端的多个所述竖向弹簧均呈环形阵列布设。多个竖向弹簧的均匀设置，能够保证压重块在发生竖向振(震)动时受力均匀。

进一步地，所述底座板的四周设置有与所述底座板一体成型的限位板。限位板的设置能够对外筒的水平方向运动进行限位。

进一步地，所述限位板的内壁上设置有耗能垫。通过耗能垫的设置能够实现外筒与限位板的软接触，防撞且耗能。

进一步地，所述底座板上设置有一周安装孔，所述安装孔设于所述限位板的外周。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置的剖视图；

图2为本发明提供的图1中A-A方向的剖视图；

图3为本发明提供的图1中B-B方向的剖视图；

图4为本发明提供的底座板的俯视图。

其中：1为底座板；2为外筒；3为压重块；4为第一导体板；5为限位板；6为耗能垫；7为第二导体板；8为万向转动体；81为滚珠；82为润滑层；9为竖向弹簧；10为第一电磁体；11为第二电磁体；12为立柱；13为第三导体板；14为第三电磁体；15为滚珠容纳腔；16为安装孔。

具体实施方式

下面将结合本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。

参见图1-4，本发明实施例公开了一种利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，包括：底座板1、外筒2和压重块3。

其中，底座板1上表面中心位置为平面，由平面向外通过多个依次拼接的弧面延伸，即底座板1的上表面由一个平面和多个弧面依次拼接共同形成，且多个弧面的曲率半径由内到外依次减小，平面和所有弧面上均设置有第一导体板4，同时在底座板1的四周设置有与底座板1一体成型的限位板5，限位板5的内壁上设置有耗能垫6，耗能垫6优选粘弹性高阻尼、变形性能良好的磁性橡胶材料等，通过耗能垫6的设置能够实现外筒2与限位板5的软接触，防撞且耗能。在本实施例中，优选地，底座板1的上表面由一个平面和两个弧面形成，具体参见图1，平面为R1区域，两个弧面分别为R2和R3，弧面R2的曲率半径大于弧面R3的曲率半径，通过将底座板1的上表面设置为由1平面和两个曲面依次拼接而成，进而能够使该减震装置具有多级变频滚动面，从而实现多级变频调谐减震，且可利用压重块3的重力实现自复位功能，还能拓宽该振(震)装置的调谐频率范围，显著改善了用于桥梁多维减震的适用性。

外筒2的内壁上设置有第二导体板7，外筒2的底部设置有多个第一电磁体10和万向转动体8，万向转动体8与底座板1的上表面接触。

压重块3设置于外筒2的内部，压重块3的顶端和底端分别通过竖向弹簧9与外筒2的顶壁和底壁固定连接，压重块3的外侧壁上间隔设置有多个第二电磁体11。

在本实施例中，第一导体板4和第二导体板7的材料优选铜板等材料，外筒2和底座板1均采用钢板等延性较好的材料，压重块3优选钢制铁块或者外包钢板的混凝土配重块，通过在压重块3的外壁设置有第二电磁体11，外筒2的内壁设置有第二导体板7，当发生竖向振(震)动时，第二导体板7与第二电磁体11发生相对运动，第二导体板7切割第二电磁体11产生的磁力线时，在第二导体板7中产生电涡流，实现竖向电涡流阻尼和压重块3调谐减震；当发生水平振(震)动时，由于万向转动体8的设置，外筒2在底座板1上运动，使得第一电磁体10与第一导体板4发生相对运动，第一导体板4切割第一电磁体10产生的磁力线时，在第一导体板4中产生电涡流，实现水平方向的电涡流阻尼减震。万向转动体8的设置大大减小外筒2水平启动力，通过底座板1的上表面由平面R1、曲率半径不同R2和R3三个区域组成，外筒通过万向转动体沿底座板上的平面和曲率半径不同的弧面发生水平运动时，可实现电涡流阻尼多级变频水平调谐减震，结合竖向电涡流阻尼和水平电涡流阻尼，能够实现利用桥梁压重块3的电涡流阻尼三维减震，有效提升了传统桥梁压重块3的调谐减震效率与用于桥梁多维减震的适用性、耐久性。

在本实施例中，多个第二电磁体11中形成多个沿外筒2轴向设置的三个环形结构，每个环形结构中的多个第二电磁体11呈环形阵列布设，且相邻环形结构中第二电磁体11在其轴向上相对应，具体地，相邻的第二电磁体11朝向第二导体板7一侧的磁极相反；多个第一电磁体10也呈环形阵列布设于压重块3的底部，且相邻第一电磁体10靠近第一导体板4的磁极相反。在另一些实施例中，第一电磁体10和第二电磁体11的数量和布置方式可以根据实际需求具体调整，在此不做具体限制。

在本实施例中，优选地，该利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置还包括立柱12，立柱12与外筒2采用相同的材质，立柱12设于外筒2内部的中心位置，立柱12的两端分别与外筒2的顶壁和底壁固定连接，立柱12的外壁设置有第三导体板13，压重块3的中心位置具有与立柱12配合的贯穿通道，贯穿通道的内壁上设置有多个第三电磁体14，压重块3通过贯穿通道套设在立柱12的外侧，第三电磁体14与第三导体板13间隙配合。通过第三导体板13和第三电磁体14的设置，在发生竖向振(震)动时，能够在第三导体板13中产生电涡流，增加竖向电涡流阻尼，实现压重块3调谐减震，同时由于立柱12和贯穿通道的设置能够确保压重块3沿着立柱12在竖直方向上的运动，其中，第三电磁体14的设置方式与第二电磁体11的设置方式相同，在此不再赘述。

在本实施例中，该利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置还包括位移相关型电流控制器(图中未示出)，位移相关型电流控制器分别与第一电磁体10、第二电磁体11和第三电磁体14电连接，位移相关型电流控制器通过压重块3与外筒2的位移变化自适应控制电流大小，实现电涡流阻尼自适应调节。其中，位移相关型电流控制器为现有技术中成熟的控制器，在此不进行详细赘述，具体的工作原理可参见现有技术。

在本实施例中，万向转动体8包括滚珠81和润滑层82，外筒2的底部具有滚珠容纳腔15，润滑层82设于滚珠容纳腔15内，滚珠容纳腔15通过润滑层82与滚珠81铰接，通过该结构的设置能够大大减小外筒2水平启动力。

在本实施例中，压重块3的顶端和底端的竖向弹簧9均设有多个，压重块3的顶端和底端的多个竖向弹簧9均呈环形阵列布设。多个竖向弹簧9的均匀设置能够，能够保证压重块3的在发生竖向振(震)动时受力均匀。

在上述实施例中，底座板1上设置有一周安装孔16，安装孔16设于限位板5的外周。安装孔16的设置可保证将该利用桥梁压重块3的电涡流阻尼三维减震装置固定于桥梁上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，其特征在于，包括：

底座板，所述底座板上表面的中心位置为平面，由平面向外通过多个依次拼接的弧面延伸，多个弧面的曲率半径由内到外依次减小，使得减震装置具有多级变频滚动面，平面和弧面上均设置有第一导体板；

外筒，所述外筒的内壁上设置有第二导体板，所述外筒的底部设置有多个第一电磁体和万向转动体，所述万向转动体与所述底座板的上表面接触；

压重块，所述压重块设置于所述外筒的内部，所述压重块的顶端和底端分别通过竖向弹簧与所述外筒的顶壁和底壁固定连接，所述压重块的外侧壁上间隔设置有多个第二电磁体；

其中，减震装置具有多级变频滚动面，实现电涡流阻尼多级变频水平调谐减震，同时结合竖向电涡流阻尼、水平电涡流阻尼和重量块的调谐减震，能够实现利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震。

2.根据权利要求1所述的利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，其特征在于，还包括立柱，所述立柱设于所述外筒内部的中心位置，所述立柱的两端分别与所述外筒的内壁固定连接，所述立柱的外壁设置有第三导体板，所述压重块的中心位置具有与所述立柱配合的贯穿通道，所述贯穿通道的内壁上设置有多个第三电磁体，所述压重块通过所述贯穿通道套设在所述立柱的外侧，所述第三电磁体与所述第三导体板间隙配合。

3.根据权利要求2所述的利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，其特征在于，还包括位移相关型电流控制器，所述位移相关型电流控制器分别与所述第一电磁体、第二电磁体和第三电磁体电连接，所述位移相关型电流控制器通过所述压重块与所述外筒的位移变化自适应控制电流大小，实现电涡流阻尼自适应调节。

4.根据权利要求1所述的利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，其特征在于，所述万向转动体包括滚珠和润滑层，所述外筒的底部具有滚珠容纳腔，所述润滑层设于所述滚珠容纳腔内，所述滚珠容纳腔通过所述润滑层与所述滚珠铰接。

5.根据权利要求1所述的利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，其特征在于，所述压重块的顶端和底端的所述竖向弹簧均设有多个，所述压重块的顶端和底端的多个所述竖向弹簧均呈环形阵列布设。

6.根据权利要求1所述的利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，其特征在于，所述底座板的四周设置有与所述底座板一体成型的限位板。

7.根据权利要求6所述的利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，其特征在于，所述限位板的内壁上设置有耗能垫。

8.根据权利要求7所述的利用桥梁压重块的电涡流阻尼三维减震装置，其特征在于，所述底座板上设置有一周安装孔，所述安装孔设于所述限位板的外周。