CN114775405A - 一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是涉及一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，包括上旋转板、竖向滑块、中间支座、阻尼器和底板；上旋转板顶部连接桥梁主梁，底部中间位置连接竖向滑块，竖向滑块底部深入中间支座并与中间支座活动连接，允许竖向滑轨相对中间支座沿竖直方向移动；中间支座外侧设置阻尼器，阻尼器顶端连接上旋转板，底端连接中间支座；允许上旋转板发生沿桥梁主梁高度方向的竖向运动、沿桥梁主梁宽度水平方向滑动及绕桥梁主梁宽度水平方向的转动；中间支座底部连接底板，允许中间支座、阻尼器、竖向滑块、上旋转板相对底板发生沿桥梁主梁长度方向的水平运动；底板底部连接竖向承重结构，有效提升大跨桥梁主梁多种模态振动阻尼。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是涉及一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置。
背景技术
桥梁结构是国家交通网络的关键节点，为重要基础设施。桥梁具有多种类型，一般包含横向放置的具有一定跨度的主梁，实现河流山川的跨越，主梁上通行行人和车辆；主梁支承结构有桥塔、桥墩、拱肋、缆索结构等，根据支承方式的不同，桥梁分为梁桥、拱桥、缆索桥梁等。大跨度桥梁主要采用缆索体系，包括斜拉桥和悬索桥，采用斜拉索、吊杆传递桥塔或是主缆对主梁支承力，实现千米级距离的跨越。桥梁的跨度越来越大，主梁愈加轻柔，自身结构阻尼低、自振频率低且分布密集，易出现常遇风速下的多模态、大幅度振动。振动易引起行人通行不适、驾车视线遮挡，导致桥梁关闭、功能丧失，引发负面社会舆论，长期振动还会造成防护构件损坏、加速结构腐蚀等性能退化，引起结构构件乃至全桥寿命缩短，造成不可估量的社会经济损失。因此，结构振动控制是大跨度桥梁建设和安全运营的关键瓶颈难题。
大跨度桥梁抗风主要采用气动措施，通过改变主梁断面形状实现对气流绕流形态的改变，实现对气流-结构耦合效应削弱和输入能量控制，达到抑制振动目的。气动措施包括主梁中间开槽、两侧增加导流板、梁底增加稳定板，结合栏杆、检修道和风障设计以优化主梁气动外形等。气动措施的效果主要通过主梁节段缩尺模型或全桥缩尺气弹模型的风洞试验研究验证和优化，试验结果与实桥减振效果可能存在偏差；同时，气动措施的效果对主梁外形细节和结构动力参数敏感，由于检修及长时间服役引起桥梁断面改变或动力特性(阻尼等)改变后，原设计气动措施可能出现控制效果不足的问题。综上，气动措施是一种常规的抗风减振手段，但是存在不稳定性，因此大跨度桥梁的发展一般还需要结合机械减振措施。另一方面，在役桥梁一旦由于动力特性改变等原因出现涡振，增加气动措施需要沿着桥梁较大长度布设，施工将影响交通，经济成本大。
在气动措施之外，另外一种大跨度桥梁减振的方法为机械措施。机械措施的基本原理是利用桥梁振动驱动机械装置，转移桥梁振动能量进而利用阻尼器或其他构件耗散能量。目前主要采用的机械措施有两种，一种是调谐质量阻尼器(TMD)，TMD包含一个质量块和将质量块与桥梁主梁相连的弹簧-阻尼器单元；另一种是直接在主梁振动中发生较大相对位移的两个位置之间安装阻尼器耗能。
TMD由于只需与结构在一个位置相连，针对主梁单点的绝对位移减振，所以可以安装在跨内任意位置。通常，为了满足对桥梁单一模态阻尼的提升效果，需要将TMD安装在该目标控制模态振型振幅最大位置，例如，针对1阶竖弯的TMD一般安装在跨中。TMD需要根据目标模态控制设计质量、弹簧和阻尼参数，实现最优控制，其对桥梁非目标模态振动的控制效果较差；而且，TMD需要足够大的质量以满足阻尼效果，过大的质量会增大桥梁的荷载和结构内力。同时，桥梁各模态振型的最大振幅位置不同，加上TMD需调谐的特性，面对大跨桥梁的多模态减振需求，一般需要安装多个TMD装置。在TMD设计方面，针对大跨度桥梁低频振动的TMD的行程较大，而桥梁箱梁内部空间有限，是实际应用中有待妥善解决的难题。
针对漂浮体系(即主梁在桥塔位置不设置竖向支座)的悬索桥，现有直接在桥塔上安装竖向阻尼器的措施；尽管主梁竖向振动在桥塔处相对于跨内较小，但仍有一定竖向线位移，可以驱动阻尼器变形耗能。对于桥梁主梁-桥塔/墩之间设置竖向支座的非漂浮体系，需要在塔上设置大悬臂牛腿，将竖向阻尼器安装牛腿悬挑端和主梁之间耗能，这会侵占部分通航空间。此外，在主梁由于温度、车辆荷载等作用时发生纵向位移时，阻尼力不再沿着竖直方向，其减振效果可能受到影响。
大跨度桥梁多模态大幅振动需要结合气动措施和机械措施减振，现有机械措施例如TMD等在实际桥梁中已有一定应用，但是存在上述问题，尚缺乏其他有效实用的桥梁主梁阻尼提升和消能减振方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，包括上旋转板、竖向滑块、中间支座、阻尼器和底板；上旋转板顶部连接桥梁主梁，底部中间位置连接竖向滑块，竖向滑块底部深入中间支座并与中间支座活动连接，允许竖向滑轨相对中间支座沿竖直方向移动；中间支座外侧设置阻尼器，阻尼器顶端连接上旋转板，底端连接中间支座；允许上旋转板发生沿桥梁主梁高度方向的竖向运动、沿桥梁主梁宽度水平方向滑动及绕桥梁主梁宽度水平方向的转动；中间支座底部连接底板，允许中间支座、阻尼器、竖向滑块、上旋转板相对底板发生沿桥梁主梁长度方向的水平运动；底板底部连接竖向承重结构(桥塔、桥墩等)，有效提升大跨桥梁主梁多种模态的振动(包括竖向弯曲和扭转模态)阻尼。
本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置中，底板与竖向承重结构(桥塔/桥墩上的横梁或支撑)连接。阻尼器沿着桥梁主梁长度方向，在中间支座两侧布置。本发明将阻尼器与上旋转板结构结合，由于阻尼器轴线与上旋转板的转动中心不在同一直线上，因此当上旋转板沿着径向滑动轴承旋转时，阻尼器的阻尼力形成阻尼力矩，抑制桥梁主梁的转角运动，从而达到耗能的效果；同时，当桥梁主梁发生竖向振动时，竖向位移可通过上旋转板传递至竖向滑块和阻尼器，阻尼器产生阻尼力对桥梁主梁的竖向位移同样具有抑制和耗能作用。利用本发明的“转角和位移抑制效应”，显著提高桥梁振动(尤其是桥梁主梁竖向弯曲和扭转振动)时的阻尼，从而达到降低桥梁结构振动(包括风振和地震响应等)的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，与桥梁主梁和竖向承重结构相连，包括上旋转板、竖向滑块、中间支座、阻尼器和底板；
所述上旋转板顶部连接桥梁主梁，底部中间位置连接竖向滑块，竖向滑块底部深入中间支座中部并与中间支座活动连接，允许上旋转板发生沿桥梁主梁高度方向的竖向运动；
所述中间支座外侧设置阻尼器，所述阻尼器顶端连接上旋转板，底端连接中间支座；允许上旋转板发生沿桥梁主梁高度方向的竖向运动、沿桥梁主梁宽度方向的水平滑动及绕桥梁主梁宽度水平方向的转动；
所述中间支座底部连接底板，允许中间支座、阻尼器、竖向滑块、上旋转板相对底板发生沿桥梁主梁长度方向的水平运动；所述底板底部连接竖向承重结构。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器的布设方式包括布设两道或者分层布设多道；
布设两道时，沿桥梁主梁长度方向在中间支座两侧各设置一个阻尼器；
布设多道时，沿桥梁主梁长度方向在中间支座两侧各设置一个或几个阻尼器。
在本发明的一个实施方式中，所述上旋转板底部中间位置设置第一铰耳，竖向滑块顶部设置第三铰耳；所述第一铰耳和第三铰耳通过径向滑动轴承活动连接；
所述上旋转板与阻尼器连接的位置设置第二铰耳，阻尼器顶部和底部设置第五铰耳，中间支座与阻尼器连接的位置设置第四铰耳；所述第二铰耳和阻尼器顶部的第五铰耳、第四铰耳和阻尼器底部的第五铰耳分别通过球铰活动连接。
在本发明的一个实施方式中，所述径向滑动轴承包括第一挡板、第一轴承和第一螺母；
所述第一轴承的一个端部设置第一挡板，另一个端部与第一螺母活动连接，所述第一轴承与第一螺母活动连接的位置设置与第一螺母匹配的螺纹。
在本发明的一个实施方式中，所述球铰包括第二挡板、第二轴承、第二螺母；
所述第二轴承的一个端部设置第二挡板，另一个端部与第二螺母活动连接，所述第二轴承与第二螺母活动连接的位置设置与第二螺母匹配的螺纹。
在本发明的一个实施方式中，所述第一铰耳、第二铰耳、第三铰耳、第四铰耳、第五铰耳分别设置有圆形孔洞；
所述第一铰耳、第三铰耳的圆形孔洞的内径大于第一轴承的外径；
所述第二铰耳、第四铰耳、第五铰耳的圆形孔洞的内径大于第二轴承的外径。
在本发明的一个实施方式中，所述第一轴承依次穿过第一铰耳和第三铰耳；
所述第二轴承依次穿过第二铰耳和第五铰耳，或，第四铰耳和第五铰耳。
在本发明的一个实施方式中，所述第一铰耳和第三铰耳沿第一轴承轴线方向间隔放置，允许上旋转板相对竖向滑块发生沿着第一轴承轴线方向的滑动，同时具有限位作用；
所述第二铰耳和第五铰耳，或，第四铰耳和第五铰耳分别沿第二轴承轴线方向间隔放置。
在本发明的一个实施方式中，所述竖向滑块与中间支座连接的位置设置竖向滑轨。
在本发明的一个实施方式中，所述中间支座底部设置滑槽，所述底板顶部设置水平滑轨；所述水平滑轨与滑槽相匹配。
在本发明的一个实施方式中，所述桥梁包括横置的实现跨越的桥梁主梁和竖向布置承托主梁的竖向承重结构，竖向承重结构包括桥塔和桥墩，桥梁主梁与上旋转板相连，上旋转板通过径向滑动轴承与竖向滑块连接，竖向滑块相对与中间支座可以竖向运动，从而上旋转板可以通过竖向和转动带动阻尼器变形，消耗能量一直振动，阻尼器两端通过球铰与上旋转板和中间支座连接，中间支座与底板之间存在水平滑轨，可以释放桥梁主梁和竖向承重结构之间的水平运动。
在本发明的一个实施方式中，所述上旋转板与底板之间可以发生沿桥梁主梁宽度方向的横向运动、沿桥梁主梁长度方向的纵向运动、沿桥梁主梁高度方向的竖向运动和绕上旋转板宽度水平方向的转动，依据桥梁主梁和竖向承重结构之间的相对竖向运动和绕横向的转动提供阻尼力消耗能量，同时与桥梁主梁和竖向承重结构之间的相对横向和纵向运动相容。
在本发明的一个实施方式中，所述上旋转板通过径向滑动轴承连接竖向滑块，上旋转板绕径向滑动轴承的轴线转动和沿着径向滑动轴承的轴线方向滑动。
在本发明的一个实施方式中，所述第一铰耳和第三铰耳沿转动轴轴线方向间隔放置，允许上旋转板相对竖向滑块发生沿着转动轴轴线方向的滑动，同时具有限位作用。
在本发明的一个实施方式中，所述中间支座在与竖向滑块连接的位置设置竖向滑轨，允许竖向滑块通过竖向滑轨相对中间支座沿竖直方向移动。
在本发明的一个实施方式中，所述中间支座底部设置滑槽，所述底板顶部设置水平滑轨；所述水平滑轨与滑槽相匹配，允许中间支座及其上部组件相对底板发生水平滑动。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器选自高阻尼橡胶阻尼器、粘滞流体阻尼器、粘弹性阻尼器、摩擦型阻尼器、电涡流阻尼器、电磁阻尼器或金属阻尼器中的一种或几种。
在本发明的一个实施方式中，上旋转板与桥梁主梁刚性连接的方式选自螺栓、焊接或预埋件中的一种，所述上旋转板与桥梁主梁的连接处还设有加固件，所述加固件的类型选自钢横梁、横隔板或混凝土浇筑填充中的一种。
在本发明的一个实施方式中，底板与竖向承重结构的连接方式选自焊接、螺栓或预埋件中的一种，所述底板与竖向承重结构的连接处还设有加固件，所述加固件的类型选自钢横梁、横隔板或混凝土浇筑填充中的一种。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器的位置与桥梁主梁轴线垂直且与竖向支撑结构的中轴线平行。
在本发明的一个实施方式中，阻尼器布置多道时，阻尼器位置在竖向滑块两侧对称布设，多道阻尼器布设可减小每个阻尼器的尺寸。
在本发明的一个实施方式中，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竖向滑块中心线的竖向间距的乘积根据桥梁本体的结构参数和针对的桥梁主梁振动模态进行优化，当增大阻尼器的轴线距离竖向滑块的竖向间距时，阻尼器的尺寸相应减小。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼减振装置的阻尼器两端分别采用球铰与上旋转板和中间支座相连，阻尼器轴线与上旋转板的转动中心不在一条直线上，即阻尼器与转动中心之间存在一个力臂，当上旋转板转动时，阻尼力提供一个阻尼力矩，抑制桥梁主梁振动时的转动消耗能量；当上旋转板发生沿桥梁高度方向的竖向位移时，所述阻尼器的合力对其竖向运动产生一个阻尼力，抑制桥梁主梁振动时的竖向位移消耗能量。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼减振装置的上旋转板、中间支座、底板具有足够的刚度保证桥梁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。
在本发明的一个实施方式中，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桥梁主梁的伸缩变形确定。
在本发明的一个实施方式中，所述桥梁本体仅包括一个主跨和两个位于主跨主梁两端的竖向承重结构时，所述阻尼减振装置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，所述阻尼减振装置布设在一个以上的竖向承重结构与主梁之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，通过桥梁主梁竖向振动的弯曲转角提升阻尼，亦可以同时利用桥梁主梁的转角和竖向位移提升桥梁阻尼，而现有机械减振主要通过主梁的竖向线位移提升阻尼减振。
(2)现有桥梁阻尼减振装置中桥梁主梁在端部及桥塔位置一般设置竖向、横向支座；或者不设置竖向支座。均不限制主梁的转角，因此桥梁各阶竖向振动时，对应振型在桥梁主梁端部、桥塔位置的转角均较大，本发明的转角控制型桥梁阻尼减振装置能发生较大转角驱动阻尼器变形，有效减振耗能，对多阶振动、主梁竖弯和扭转振动均生效。
(3)本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置通过上旋转板将转角转变为线位移，利用上旋转板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)本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，能够适应桥梁主梁振动时在主塔位置的横向、纵向位移，对桥梁主梁、竖向承重结构施加的纵向和横向荷载较小。
附图说明
图1为本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置的正视图；
图2为本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置的侧视图；
图3为本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置的沿A-A平面切开后的俯视图；
图4为本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置在某悬索桥上实施后的安装位置及模型正视图；
图5为本发明的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置在某悬索桥上实施后的安装位置及模型侧视图；
图6为本发明实施例1中的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置的简化分析模型示意图；
图7为本发明实施例1中的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置在主梁和单侧桥塔位置安装的阻尼效果示意图；
图8为本发明实施例1的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置在主梁和两侧桥塔位置安装的阻尼效果示意图；
图中标号：1、上旋转板；11、第一铰耳；12、第二铰耳；2、径向滑动轴承；21、第一挡板；22、第一轴承；23、第一螺母；3、竖向滑块；31、第三铰耳；4、中间支座；41、滑槽；42、第四铰耳；5、阻尼器；51、第五铰耳；6、球铰；61、第二挡板；62、第二轴承；63、第二螺母；7、底板；71、水平滑轨；8、竖向滑轨；9、桥梁主梁；10、竖向承重结构。
具体实施方式
本发明提供一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，与桥梁主梁和竖向承重结构相连，包括上旋转板、竖向滑块、中间支座、阻尼器和底板；
所述上旋转板顶部连接桥梁主梁，底部中间位置连接竖向滑块，竖向滑块底部深入中间支座中部并与中间支座活动连接，允许上旋转板发生沿桥梁主梁高度方向的竖向运动；
所述中间支座外侧设置阻尼器，所述阻尼器顶端连接上旋转板，底端连接中间支座；允许上旋转板发生沿桥梁主梁高度方向的竖向运动、沿桥梁主梁宽度方向的水平滑动及绕桥梁主梁宽度水平方向的转动；
所述中间支座底部连接底板，允许中间支座、阻尼器、竖向滑块、上旋转板相对底板发生沿桥梁主梁长度方向的水平运动；所述底板底部连接竖向承重结构。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器的布设方式包括布设两道或者分层布设多道；
布设两道时，沿桥梁主梁长度方向在中间支座两侧各设置一个阻尼器；
布设多道时，沿桥梁主梁长度方向在中间支座两侧各设置一个或几个阻尼器。
在本发明的一个实施方式中，所述上旋转板底部中间位置设置第一铰耳，竖向滑块顶部设置第三铰耳；所述第一铰耳和第三铰耳通过径向滑动轴承活动连接；
所述上旋转板与阻尼器连接的位置设置第二铰耳，阻尼器顶部和底部设置第五铰耳，中间支座与阻尼器连接的位置设置第四铰耳；所述第二铰耳和阻尼器顶部的第五铰耳、第四铰耳和阻尼器底部的第五铰耳分别通过球铰活动连接。
在本发明的一个实施方式中，所述径向滑动轴承包括第一挡板、第一轴承和第一螺母；
所述第一轴承的一个端部设置第一挡板，另一个端部与第一螺母活动连接，所述第一轴承与第一螺母活动连接的位置设置与第一螺母匹配的螺纹。
在本发明的一个实施方式中，所述球铰包括第二挡板、第二轴承、第二螺母；
所述第二轴承的一个端部设置第二挡板，另一个端部与第二螺母活动连接，所述第二轴承与第二螺母活动连接的位置设置与第二螺母匹配的螺纹。
在本发明的一个实施方式中，所述第一铰耳、第二铰耳、第三铰耳、第四铰耳、第五铰耳分别设置有圆形孔洞；
所述第一铰耳、第三铰耳的圆形孔洞的内径大于第一轴承的外径；
所述第二铰耳、第四铰耳、第五铰耳的圆形孔洞的内径大于第二轴承的外径。
在本发明的一个实施方式中，所述第一轴承依次穿过第一铰耳和第三铰耳；
所述第二轴承依次穿过第二铰耳和第五铰耳，或，第四铰耳和第五铰耳。
在本发明的一个实施方式中，所述第一铰耳和第三铰耳沿第一轴承轴线方向间隔放置，允许上旋转板相对竖向滑块发生沿着第一轴承轴线方向的滑动，同时具有限位作用；
所述第二铰耳和第五铰耳，或，第四铰耳和第五铰耳分别沿第二轴承轴线方向间隔放置。
在本发明的一个实施方式中，所述竖向滑块与中间支座连接的位置设置竖向滑轨。
在本发明的一个实施方式中，所述中间支座底部设置滑槽，所述底板顶部设置水平滑轨；所述水平滑轨与滑槽相匹配。
在本发明的一个实施方式中，所述桥梁包括横置的实现跨越的桥梁主梁和竖向布置承托主梁的竖向承重结构，竖向承重结构包括桥塔和桥墩，桥梁主梁与上旋转板相连，上旋转板通过径向滑动轴承与竖向滑块连接，竖向滑块相对与中间支座可以竖向运动，从而上旋转板可以通过竖向和转动带动阻尼器变形，消耗能量一直振动，阻尼器两端通过球铰与上旋转板和中间支座连接，中间支座与底板之间存在水平滑轨，可以释放桥梁主梁和竖向承重结构之间的水平运动。
在本发明的一个实施方式中，所述上旋转板与底板之间可以发生沿桥梁主梁宽度方向的横向运动、沿桥梁主梁长度方向的纵向运动、沿桥梁主梁高度方向的竖向运动和绕上旋转板水平方向的转动，依据桥梁主梁和桥塔之间的相对竖向运动和绕横向的转动提供阻尼力消耗能量，同时与桥梁主梁和竖向承重结构之间的相对横向和纵向运动相容。
在本发明的一个实施方式中，所述上旋转板通过径向滑动轴承连接竖向滑块，上旋转板绕径向滑动轴承的轴线转动和沿着径向滑动轴承的轴线方向滑动。
在本发明的一个实施方式中，所述第一铰耳和第三铰耳沿转动轴轴线方向间隔放置，允许上旋转板相对竖向滑块发生沿着转动轴轴线方向的滑动，同时具有限位作用。
在本发明的一个实施方式中，所述中间支座在与竖向滑块连接的位置设置竖向滑轨，允许竖向滑块通过竖向滑轨相对中间支座沿竖直方向移动。
在本发明的一个实施方式中，所述中间支座底部设置滑槽，所述底板顶部设置水平滑轨；所述水平滑轨与滑槽相匹配，允许中间支座及其上部组件相对底板发生水平滑动。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器选自高阻尼橡胶阻尼器、粘滞流体阻尼器、粘弹性阻尼器、摩擦型阻尼器、电涡流阻尼器、电磁阻尼器或金属阻尼器中的一种或几种。
在本发明的一个实施方式中，上旋转板与桥梁主梁刚性连接的方式选自螺栓、焊接或预埋件中的一种，所述上旋转板与桥梁主梁的连接处还设有加固件，所述加固件的类型选自钢横梁、横隔板或混凝土浇筑填充中的一种。
在本发明的一个实施方式中，底板与竖向承重结构的连接方式选自焊接、螺栓或预埋件中的一种，所述底板与竖向承重结构的连接处还设有加固件，所述加固件的类型选自钢横梁、横隔板或混凝土浇筑填充中的一种。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器的位置与桥梁主梁轴线垂直且与竖向支撑结构的中轴线平行。
在本发明的一个实施方式中，阻尼器布置多道时，阻尼器位置在竖向滑块两侧对称布设，多道阻尼器布设可减小每个阻尼器的尺寸。
在本发明的一个实施方式中，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竖向滑块中心线的竖向间距的乘积根据桥梁本体的结构参数和针对的桥梁主梁振动模态进行优化，当增大阻尼器的轴线距离竖向滑块的竖向间距时，阻尼器的尺寸相应减小。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼减振装置的阻尼器两端分别采用球铰与上旋转板和中间支座相连，阻尼器轴线与上旋转板的转动中心不在一条直线上，即阻尼器与转动中心之间存在一个力臂，当上旋转板转动时，阻尼力提供一个阻尼力矩，抑制桥梁主梁振动时的转动消耗能量；当上旋转板发生沿桥梁高度方向的竖向位移时，所述阻尼器的合力对其竖向运动产生一个阻尼力，抑制桥梁主梁振动时的竖向位移消耗能量。
在本发明的一个实施方式中，所述阻尼减振装置的上旋转板、中间支座、底板具有足够的刚度保证桥梁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。
在本发明的一个实施方式中，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桥梁主梁的伸缩变形确定。
在本发明的一个实施方式中，所述桥梁本体仅包括一个主跨和两个位于主跨主梁两端的竖向承重结构时，所述阻尼减振装置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，所述阻尼减振装置布设在一个以上的竖向承重结构与主梁之间。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是其他连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例提供一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置。
如图1-5所示，一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，包括上旋转板1、竖向滑块3、中间支座4、阻尼器5和底板7；
上旋转板1顶部通过螺栓连接桥梁主梁9，连接处设有加固件(混凝土浇筑填充)，底部中间位置连接竖向滑块3，竖向滑块3底部深入中间支座4并与中间支座4活动连接，竖向滑块3与中间支座4连接的位置设置竖向滑轨8，允许竖向滑轨8相对中间支座4沿竖直方向移动；
竖向滑块3外侧设置4个阻尼器5，4个阻尼器5沿上旋转板1的两个对角线各设置一个；阻尼器5为粘滞阻尼器5；
阻尼器5顶端连接上旋转板1，底端连接中间支座4；上旋转板1绕径向滑动轴承2的轴线转动和沿着径向滑动轴承2的轴线方向滑动；
中间支座4底部设置滑槽41，底板7顶部设置水平滑轨71，水平滑轨71与滑槽41相匹配；允许中间支座4、阻尼器5、竖向滑块3、上旋转板1相对底板7发生水平滑动；
底板7底部通过螺栓连接竖向承重结构10。
上旋转板1底部中间位置设置三个第一铰耳11，竖向滑块3顶部设置两个第三铰耳31；上旋转板1与阻尼器5连接的位置各设置两个第二铰耳12，阻尼器5顶部和底部各设置一个第五铰耳51，中间支座4与阻尼器5连接的位置各设置两个第四铰耳42；第一铰耳11、第二铰耳12、第三铰耳31、第四铰耳42、第五铰耳51分别设置有圆形孔洞；
第一铰耳11和第三铰耳31通过径向滑动轴承2活动连接；径向滑动轴承2包括第一挡板21、第一轴承22和第一螺母23；第一轴承22一个端部设置第一挡板21，另一个端部与第一螺母23活动连接，所述第一轴承22与第一螺母23活动连接的位置设置与第一螺母23匹配的螺纹；第一轴承22依次穿过第一铰耳11和第三铰耳31(第一铰耳11、第三铰耳31的圆形孔洞的内径大于第一轴承22的外径)；三个第一铰耳11和两个第三铰耳31沿第一轴承22轴线方向间隔放置，允许上旋转板1相对竖向滑块3发生沿着第一轴承22轴线方向的滑动，同时具有限位作用；
第二铰耳12和阻尼器5顶部的第五铰耳51、第四铰耳42和阻尼器5底部的第五铰耳51分别通过球铰6活动连接；球铰6包括第二挡板61、第二轴承62、第二螺母63；第二轴承62一个端部设置第二挡板61，另一个端部与第二螺母63活动连接，第二轴承62与第二螺母63活动连接的位置设置与第二螺母63匹配的螺纹；第二轴承62依次穿过第二铰耳12和第五铰耳51，或，第四铰耳42和第五铰耳51(第二铰耳12、第四铰耳42、第五铰耳51的圆形孔洞的内径大于第二轴承62的外径)；第二铰耳12和第五铰耳51，或，第四铰耳42和第五铰耳51分别沿第二轴承62轴线方向间隔放置。
工作时，利用上旋转板1与底板7之间可以发生横向运动、纵向运动、竖向运动和沿纵向的转动，有效传递桥梁主梁9和竖向承重结构10之间的相对运动；阻尼器5两端分别采用球铰6与上旋转板1和中间支座4相连，阻尼器5轴线与上旋转板1的转动中心不在一条直线上，即阻尼器5与上旋转板1的转动中心之间存在一个力臂，当上旋转板1发生转动时，阻尼力提供一个阻尼力矩，抑制桥梁主梁9振动时的转动消耗能量。
基于桥梁本体，桥梁本体包括横置的实现跨越的桥梁主梁9和竖向布置的竖向承重结构10，竖向承重结构10包括桥塔和桥墩，桥梁主梁9与上旋转板1相连，上旋转板1通过径向滑动轴承2与竖向滑块3连接，竖向滑块3相对与中间支座4可以竖向运动，从而上旋转板1可以通过竖向和转动带动阻尼器5变形，消耗能量一直振动，阻尼器5两端通过球铰6与上旋转板1和中间支座4连接，中间支座4与底板7之间存在水平滑轨71，可以释放主梁和竖向承重结构10之间的水平运动。
上旋转板1和底板7具有足够的刚度保证桥梁主梁9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。
本实施例中，将桥梁本体简化为轴向受拉梁，通过在两端边界增加旋转阻尼力矩的方式模拟实际过程中该装置的耗能效果，如图6所示。从较小的阻尼系数开始按一定增量取一系列阻尼器5系数，采用解析法分别计算桥梁本体在单侧和双侧竖向支撑结构处布置该阻尼减振装置带来的各阶的模态阻尼，得到各阶模态阻尼随着阻尼系数增加的变化曲线，如图7和图8所示。
在简化过程中，轴向刚度系数γ的取值对于桥梁模态阻尼比有较大影响，本实施例中参考实际桥梁中的相关参数，根据如下公式估算，取值轴向刚度系数γ＝50。
式中，T——轴向受拉梁中轴力(N)；
L——桥梁长度(m)；
EI——桥梁抗弯刚度(N·m2)。
同时，为了更直观表达阻尼系数的改变对各阶模态阻尼比的影响，将实际布置中的一道或多道阻尼器5的阻尼系数考虑为总阻尼系数，同时对总阻尼系数进行无量纲化处理，避免了尺寸、质量和刚度等参数的影响，量纲归一化总阻尼系数的公式为：
式中，j——阻尼减振装置安装位置(本示例等于1或2)；
cj——一道或多道阻尼器5布置时下的总阻尼系数(N·s/m)；
m——等效梁模型的分布质量(kg/m)；
rj——总阻尼系数作用合力点到中央滑块中心点之间距离(m)；其余参数与上文相同。
从图7和图8中，可见本实施例的阻尼减振装置能有效提升桥梁本体的模态阻尼，在桥塔单侧安装该阻尼减振装置时，对于竖向振动的多阶模态，阻尼比能提升至0.8％以上；而在桥塔两侧均安装时，多阶模态的阻尼比能提升至1.5％以上。存在一个最优的阻尼系数，使得各阶阻尼比均达到较大值。
考虑前8阶振动的竖向振动模态，优化使得前8模态中大多数模态的阻尼比ζn(n为阶数编号)均达到较大值，优化的阻尼器5系数及对应各阶的阻尼比如表1所示。
表1本发明在某桥梁上实施并参数优化后的代表性模态阻尼比
本实施例的主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置通过抑制桥梁主梁9振动时的转角变形进而耗散能量的理念，通过引入上旋转板1结构将桥梁主梁9转角转变为线位移，进而带动阻尼器5耗能提供阻尼。同时，对于在桥塔处没有竖向支撑的漂浮体系桥梁，也能够针对其竖向振动进行控制。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，本实施例通过球铰6连接，使得桥梁主梁9在各向振动时，阻尼器5均能起到一定阻尼作用同时保护阻尼器5及连接件不受破坏。阻尼减振装置在主梁端部安装，设计、安装、维护和更换均方便，具有极强的工程实用性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，与桥梁主梁(9)和竖向承重结构(10)相连，其特征在于，包括上旋转板(1)、竖向滑块(3)、中间支座(4)、阻尼器(5)和底板(7)；
所述上旋转板(1)顶部连接桥梁主梁(9)，底部中间位置连接竖向滑块(3)，竖向滑块(3)底部深入中间支座(4)中部并与中间支座(4)活动连接，允许上旋转板(1)发生沿桥梁主梁(9)高度方向的竖向运动；
所述中间支座(4)外侧设置阻尼器(5)，所述阻尼器(5)顶端连接上旋转板(1)，底端连接中间支座(4)；允许上旋转板(1)发生沿桥梁主梁(9)高度方向的竖向运动、沿桥梁主梁(9)宽度方向的水平滑动及绕桥梁主梁(9)宽度水平方向的转动；
所述中间支座(4)底部连接底板(7)，允许中间支座(4)、阻尼器(5)、竖向滑块(3)、上旋转板(1)相对底板(7)发生沿桥梁主梁(9)长度方向的水平运动；所述底板(7)底部连接竖向承重结构(10)。
2.根据权利要求1所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述阻尼器(5)的布设方式包括布设两道或者布设多道；
布设两道时，沿桥梁主梁(9)长度方向在中间支座(4)两侧各设置一个阻尼器(5)；
布设多道时，沿桥梁主梁(9)长度方向在中间支座(4)两侧各设置一个或几个阻尼器(5)。
3.根据权利要求1所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述上旋转板(1)底部中间位置设置第一铰耳(11)，竖向滑块(3)顶部设置第三铰耳(31)；所述第一铰耳(11)和第三铰耳(31)通过径向滑动轴承(2)活动连接；
所述上旋转板(1)与阻尼器(5)连接的位置设置第二铰耳(12)，中间支座(4)与阻尼器(5)连接的位置设置第四铰耳(42)，阻尼器(5)顶部和底部设置第五铰耳(51)；所述第二铰耳(12)和阻尼器(5)顶部的第五铰耳(51)、第四铰耳(42)和阻尼器(5)底部的第五铰耳(51)分别通过球铰(6)活动连接。
4.根据权利要求3所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述径向滑动轴承(2)包括第一挡板(21)、第一轴承(22)和第一螺母(23)；
所述第一轴承(22)的一个端部设置第一挡板(21)，另一个端部与第一螺母(23)活动连接，所述第一轴承(22)与第一螺母(23)活动连接的位置设置与第一螺母(23)匹配的螺纹。
5.根据权利要求3所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述球铰(6)包括第二挡板(61)、第二轴承(62)、第二螺母(63)；
所述第二轴承(62)的一个端部设置第二挡板(61)，另一个端部与第二螺母(63)活动连接，所述第二轴承(62)与第二螺母(63)活动连接的位置设置与第二螺母(63)匹配的螺纹。
6.根据权利要求4所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述第一铰耳(11)、第二铰耳(12)、第三铰耳(31)、第四铰耳(42)、第五铰耳(51)分别设置有圆形孔洞；
所述第一铰耳(11)、第三铰耳(31)的圆形孔洞的内径大于第一轴承(22)的外径；
所述第二铰耳、第四铰耳(42)、第五铰耳(51)的圆形孔洞的内径大于第二轴承(62)的外径。
7.根据权利要求6所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述第一轴承(22)依次穿过第一铰耳(11)和第三铰耳(31)；
所述第二轴承(62)依次穿过第二铰耳(12)和第五铰耳(51)，或，第四铰耳(42)和第五铰耳(51)。
8.根据权利要求7所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述第一铰耳(11)和第三铰耳(31)沿第一轴承(22)轴线方向间隔放置，允许上旋转板(1)相对竖向滑块(3)发生沿着第一轴承(22)轴线方向的滑动，同时具有限位作用；
所述第二铰耳(12)和第五铰耳(51)，或，第四铰耳(42)和第五铰耳(51)分别沿第二轴承(62)轴线方向间隔放置。
9.根据权利要求1所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述竖向滑块(3)与中间支座(4)连接的位置设置竖向滑轨(8)。
10.根据权利要求1所述的一种主梁转角控制型桥梁阻尼减振装置，其特征在于，所述中间支座(4)底部设置滑槽(41)，所述底板(7)顶部设置水平滑轨(71)；
所述水平滑轨(71)与滑槽(41)相匹配。
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