CN115948976B - 一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统及方法，系统包括悬索桥以及设置于悬索桥上的韧性约束体系，所述韧性约束体系设置有阻尼器模块；其中，所述阻尼器模块包括M个摩擦型阻尼器和N个速度锁定软钢阻尼器，本发明在桥塔与主梁间设置功能作用分离的摩擦型阻尼器、速度锁定软钢阻尼器和纵向限位挡块这一纵向组合韧性约束体系，有效提高了桥梁纵向附加刚度和附加阻尼，通过优化设计摩擦限位力、速度锁定装置的锁定速度、软钢屈服前后刚度及设计限位间隙等参数，实现了控制不同运动状态下主梁纵向位移的目的，从而可降低梁端纵向变形和约束装置的累积位移、提高约束装置耐久性、减小伸缩装置的规模及改善桥梁的静动力受力性能。

Description

一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统及方法

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统及方法。

背景技术

大跨径悬索桥具有跨度大、刚度小、阻尼低等特点，其中支座、阻尼器、伸缩缝等关键约束装置是实现大桥关键结构连接约束功能的核心单元，关乎大桥安全与耐久。在温度、活载、风荷载等作用下，这些关键约束装置处于高频低幅运动状态，梁端纵向伸缩位移量大、纵向累积位移长，长期往复运动和较大的纵向累积位移显著降低了梁端伸缩缝的耐久性，并最终导致梁端伸缩缝在仅服役数年之后便需更换。而更换伸缩缝工程不仅花费巨大，而且需要封闭桥梁，将对当地交通造成较大影响。同时，大跨径悬索桥自振周期较长，强震作用下，主梁会产生较大的纵向位移，对悬索桥的抗震设计提出的更高的要求，因此，亟需提出一种合理的结构纵向约束体系来解决这一技术难题。

目前，大部分桥梁采用液体粘滞阻尼器来控制梁端位移，但是液体粘滞阻尼器为速度相关型，不附加结构刚度，只增加结构阻尼比，对低速振动控制效果差、对高频低幅振动产生的位移控制较差，且存在漏油风险，耐久性需进一步提升。且对于小指数液体粘滞阻尼器，其活塞往往采用压力感应阀型的小孔结构，其对产品的内部构造、阻尼介质、密封技术等提出了更高的要求，存在阀门在长期工作下的耐久性不足问题。而摩擦型阻尼器为位移相关型，其在屈服前能够提供较大刚度，并在低速运动下能输出较大的阻尼力，加之为机械结构，成本相对较低。

为了有效控制大跨悬索桥在车辆、温度、风等运营荷载和地震作用下主梁的纵向位移，需要提出一种合理的桥梁纵向约束体系，保障桥梁的耐久性能和功能需求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统及方法解决了大跨径悬索桥在汽车活载、温度、大风和地震作用下的纵向位移较大的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统，包括悬索桥以及设置于悬索桥上的韧性约束体系，所述悬索桥包括桥塔、主缆、吊杆、主梁和锚碇，所述主缆的两端与所述锚碇固定连接，并通过桥塔的顶端，所述主缆通过吊杆与所述主梁固定连接，所述韧性约束体系设置有阻尼器模块；

其中，所述阻尼器模块包括M个摩擦型阻尼器和N个速度锁定软钢阻尼器，所述摩擦型阻尼器和速度锁定软钢阻尼器均沿悬索桥顺桥向并列设置于桥塔的牛腿与主梁的交接处；

所述摩擦型阻尼器用于限制主梁上移动活载或纵向风荷载等作用下桥塔和主梁之间的纵向累积位移；

所述速度锁定软钢阻尼器用于减弱桥塔和主梁之间的纵向相对变形。

进一步地：所述韧性约束体系还包括纵向限位挡块、竖向支座和伸缩装置；

其中，所述纵向限位挡块和竖向支座均固定设置于桥塔的牛腿与主梁之间，所述伸缩装置设置于主梁的两端，并与桥塔固定连接。

进一步地：所述摩擦型阻尼器为装配式结构，其中设置有可更换的滑板材料；

所述速度锁定软钢阻尼器中设置有锁定装置。

上述进一步方案的有益效果为：速度锁定软钢阻尼器可以发挥滞回耗能能力，降低结构的地震响应及提高其抗震性能。

进一步地：所述桥塔的牛腿内侧粘贴弹性缓冲材料；

所述桥塔的牛腿间的纵向间隙值为温度和地震作用下塔梁间产生的相对纵向位移之和。

上述进一步方案的有益效果为：当桥塔和主梁之间相对纵向位移大于纵向间隙值d时，纵向限位挡块能限制桥塔和主梁之间相对纵向位移，从而可减小伸缩装置的规模。

一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束方法，包括以下步骤：

S1、基于设置的摩擦型阻尼器，限制悬索桥的桥塔和主梁之间的纵向累积位移；

S2、基于设置的速度锁定软钢阻尼器，限制悬索桥的桥塔和主梁之间的纵向相对变形；

S3、根据限制桥塔和主梁之间的纵向累积位移和纵向相对变形，完成大跨径悬索桥纵向组合韧性约束。

进一步地：所述S1具体为：

当桥塔和主梁之间相对运动时，通过摩擦型阻尼器提供水平摩擦力f限制桥塔和主梁之间的纵向累积位移。

进一步地：所述S2具体为：

设置速度阈值v，判断桥塔和主梁之间的相对变形速度是否小于速度阈值v；

若是，则将锁定装置设置为自由状态；

若否，则将锁定装置设置为锁定状态，通过速度锁定软钢阻尼器提供阻尼力减弱桥塔和主梁之间的纵向相对变形。

进一步地：提供所述阻尼力F_r的表达式具体为：

式中，x为速度锁定软钢阻尼器的位移，V为桥塔和主梁之间的相对变形速度，v为速度锁定装置的锁定速度，Δy为屈服位移，F_y为速度锁定软钢阻尼器的屈服力，Δu为极限位移，K₁为弹性刚度，K₂为速度锁定软钢阻尼器屈服后刚度。

本发明的有益效果为：

(1)本发明在桥塔与主梁间设置功能作用分离的摩擦型阻尼器、速度锁定软钢阻尼器和纵向限位挡块这一纵向组合韧性约束体系，有效提高了桥梁纵向附加刚度和附加阻尼，通过优化设计摩擦限位力、速度锁定装置的锁定速度、软钢屈服前后刚度及设计限位间隙等参数，实现了控制不同运动状态下主梁纵向位移的目的，从而可降低梁端纵向变形和约束装置的累积位移、提高约束装置耐久性、减小伸缩装置的规模及改善桥梁的静动力受力性能。

(2)本发明提供的一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束体系，由于摩擦型阻尼器为装配式结构，其摩擦滑板材料易于更换，同时摩擦型阻尼器带有自动测力功能，便于监测其服役性能，为滑板材料的更换决策提供数据支撑，经济性好，可以推广应用到悬索桥等其它桥型。

附图说明

图1为本发明的一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统的正视示意图；

图2为本发明的主梁与桥塔连接剖面示意图；

图3为本发明采用的摩擦型阻尼器的正立面示意图；

图4为本发明采用的速度锁定软钢阻尼器的三维构造示意图；

图5为本发明的一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统的俯视示意图；

图6为本发明的一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束方法的流程图。

其中：1、桥塔；2、主缆；3、吊杆；4、主梁；5、锚碇；6、摩擦型阻尼器；7、速度锁定软钢阻尼器；8、纵向限位挡块；9、竖向支座；10、伸缩装置。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统，包括悬索桥以及设置于悬索桥上的韧性约束体系，所述悬索桥包括桥塔1、主缆2、吊杆3、主梁4和锚碇5，所述主缆2的两端与所述锚碇5固定连接，并通过桥塔1的顶端，所述主缆2通过吊杆3与所述主梁4固定连接，悬索桥包括桥塔1、主缆2、吊杆3、主梁4和锚碇5；主缆2用于通过吊杆3承受活载和主梁4的恒载；主梁4用于提供悬索桥面和防止悬索桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形；桥塔1用于支撑主缆2；吊杆3用于将活载和主梁4的恒载传递到主缆2；锚碇5用于将主缆2的拉力传递给地基基础。

如图2所示，所述韧性约束体系设置有阻尼器模块，其中，所述阻尼器模块包括M个摩擦型阻尼器6和N个速度锁定软钢阻尼器7，所述摩擦型阻尼器6和速度锁定软钢阻尼器7均沿悬索桥顺桥向并列设置于桥塔1的牛腿与主梁4的交接处；

在本实施例中，M和N为偶数，摩擦型阻尼器6的承载力F值可根据车桥耦合动力分析和需要控制的累积位移量设定。

如图3所示，所述摩擦型阻尼器6用于限制主梁4上移动活载或纵向风荷载等作用下桥塔1和主梁4之间的纵向累积位移；摩擦型阻尼器6不限制温度作用下桥塔1和主梁4之间的相对纵向变形，可以降低大跨径悬索桥的纵向累积位移。

如图4所示，所述速度锁定软钢阻尼器7用于减弱桥塔1和主梁4之间的纵向相对变形。

所述摩擦型阻尼器6为装配式结构，其中设置有可更换的滑板材料；

在本实施例中，设置的摩擦型阻尼器6带有自动测力功能，便于监测其服役性能，为滑板材料的更换决策提供数据支撑。

所述速度锁定软钢阻尼器7中设置有锁定装置。

在本实施例中，当桥塔1和主梁4之间的纵向相对速度较小时，速度锁定装置处于自由状态，不会提供纵向约束力，在地震等作用下致使桥塔1和主梁4之间纵向相对速度较大时，速度锁定器锁定，软钢阻尼器发生塑性变形，从而发挥滞回耗能能力，可以降低结构的地震响应及提高其抗震性能。

所述韧性约束体系还包括纵向限位挡块8、竖向支座9和伸缩装置10；

纵向限位挡块8可限制悬索桥在最不利工况组合下主梁4的最大纵向变形，用以减小伸缩装置10的规模。

如图5所示，所述纵向限位挡块8和竖向支座9均固定设置于桥塔1的牛腿与主梁4之间，所述伸缩装置10设置于主梁4的两端，并与桥塔1固定连接。

所述桥塔1的牛腿内侧粘贴弹性缓冲材料；

所述桥塔1的牛腿间的纵向间隙值为温度和地震作用下塔梁间产生的相对纵向位移之和。当桥塔1和主梁4之间相对纵向位移大于纵向间隙值d时，纵向限位挡块8发挥作用，限制桥塔1和主梁4之间相对纵向位移，从而可减小伸缩装置10的规模。

如图6所示，大跨径悬索桥纵向组合韧性约束方法，包括以下步骤：

S1、基于设置的摩擦型阻尼器6，限制悬索桥的桥塔1和主梁4之间的纵向累积位移；

S2、基于设置的速度锁定软钢阻尼器7，限制悬索桥的桥塔1和主梁4之间的纵向相对变形；

S3、根据限制桥塔1和主梁4之间的纵向累积位移和纵向相对变形，完成大跨径悬索桥纵向组合韧性约束。

在本实施例中，基于设置适宜参数的摩擦型阻尼器6，限制大跨径悬索桥正常运营状态下塔、梁间的纵向累积位移；基于设置适宜参数的速度锁定软钢阻尼器7，限制大跨径悬索桥地震作用下塔、梁间的纵向相对变形，并耗散部分地震能量；基于正常运行状态和地震作用下组合约束方式限制梁端的变形，提高约束装置的耐久性和改善结构的静动力性能，实现大跨径悬索桥纵向组合韧性约束体系。

所述S1具体为：

当桥塔1和主梁4之间相对运动时，通过摩擦型阻尼器6提供水平摩擦力f限制桥塔1和主梁4之间的纵向累积位移。

在本实施例中，M个摩擦型阻尼器6在桥塔1和主梁4之间发生相对运动时，均会提供一个恒定的水平摩擦力f来限制塔梁间的相对运动，当桥塔1和主梁4之间相对运动的作用力小于摩擦型阻尼器6的水平摩擦力f时，桥塔1和主梁4之间不会发生相对纵向变形，从而可减小主梁4的纵向累积位移，进而提高伸缩装置10和竖向支座9的耐久性。

所述S2具体为：

设置速度阈值v，判断桥塔1和主梁4之间的相对变形速度是否小于速度阈值v；

若是，则将锁定装置设置为自由状态；

若否，则将锁定装置设置为锁定状态，通过速度锁定软钢阻尼器7提供阻尼力减弱桥塔1和主梁4之间的纵向相对变形。

在本实施例中，设置的速度阈值v为1mm/s～10mm/s。

提供所述阻尼力F_r的表达式具体为：

式中，x为速度锁定软钢阻尼器7的位移，V为桥塔1和主梁4之间的相对变形速度，v为速度锁定装置的锁定速度，Δy为屈服位移，F_y为速度锁定软钢阻尼器7的屈服力，Δu为极限位移，K₁为弹性刚度，K₂为速度锁定软钢阻尼器7屈服后刚度。

本发明的有益效果为：本发明在桥塔1与主梁4间设置功能作用分离的摩擦型阻尼器6、速度锁定软钢阻尼器7和纵向限位挡块8这一纵向组合韧性约束体系，有效提高了桥梁纵向附加刚度和附加阻尼，通过优化设计摩擦限位力、速度锁定装置的锁定速度、软钢屈服前后刚度及设计限位间隙等参数，实现了控制不同运动状态下主梁4纵向位移的目的，从而可降低梁端纵向变形和约束装置的累积位移、提高约束装置耐久性、减小伸缩装置10的规模及改善桥梁的静动力受力性能。

本发明提供的一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束体系，由于摩擦型阻尼器6为装配式结构，其摩擦滑板材料易于更换，同时摩擦型阻尼器6带有自动测力功能，便于监测其服役性能，为滑板材料的更换决策提供数据支撑，经济性好，可以推广应用到悬索桥等其它桥型。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”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设备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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (7)

1.一种大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统，其特征在于，包括悬索桥以及设置于悬索桥上的韧性约束体系，所述悬索桥包括桥塔（1）、主缆（2）、吊杆（3）、主梁（4）和锚碇（5），所述主缆（2）的两端与所述锚碇（5）固定连接，并通过桥塔（1）的顶端，所述主缆（2）通过吊杆（3）与所述主梁（4）固定连接，所述韧性约束体系设置有阻尼器模块；

其中，所述阻尼器模块包括M个摩擦型阻尼器（6）和N个速度锁定软钢阻尼器（7），所述摩擦型阻尼器（6）和速度锁定软钢阻尼器（7）均沿悬索桥顺桥向并列设置于桥塔（1）的牛腿与主梁（4）的交接处；

所述摩擦型阻尼器（6）用于限制主梁（4）上移动活载或纵向风荷载等作用下桥塔（1）和主梁（4）之间的纵向累积位移；

所述速度锁定软钢阻尼器（7）用于减弱桥塔（1）和主梁（4）之间的纵向相对变形，当桥塔（1）和主梁（4）之间的纵向相对速度较小时，速度锁定装置处于自由状态，不会提供纵向约束力，在地震等作用下致使桥塔（1）和主梁（4）之间纵向相对速度较大时，速度锁定器锁定，软钢阻尼器发生塑性变形，从而发挥滞回耗能能力；

所述韧性约束体系还包括纵向限位挡块（8）、竖向支座（9）和伸缩装置（10）；

其中，所述纵向限位挡块（8）和竖向支座（9）均固定设置于桥塔（1）的牛腿与主梁（4）之间，所述伸缩装置（10）设置于主梁（4）的两端，并与桥塔（1）固定连接。

2.根据权利要求1所述的大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统，其特征在于，所述摩擦型阻尼器（6）为装配式结构，其中设置有可更换的滑板材料；

所述速度锁定软钢阻尼器（7）中设置有锁定装置。

3.根据权利要求1所述的大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统，其特征在于，所述桥塔（1）的牛腿内侧粘贴弹性缓冲材料；

所述桥塔（1）的牛腿间的纵向间隙值为温度和地震作用下塔梁间产生的相对纵向位移之和。

4.一种基于权利要求1-3任一所述的大跨径悬索桥纵向组合韧性约束系统的约束方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于设置的摩擦型阻尼器（6），限制悬索桥的桥塔（1）和主梁（4）之间的纵向累积位移；

S2、基于设置的速度锁定软钢阻尼器（7），限制悬索桥的桥塔（1）和主梁（4）之间的纵向相对变形；

S3、根据限制桥塔（1）和主梁（4）之间的纵向累积位移和纵向相对变形，完成大跨径悬索桥纵向组合韧性约束。

5.根据权利要求4所述的大跨径悬索桥纵向组合韧性约束方法，其特征在于，所述S1具体为：

当桥塔（1）和主梁（4）之间相对运动时，通过摩擦型阻尼器（6）提供水平摩擦力f限制桥塔（1）和主梁（4）之间的纵向累积位移。

6.根据权利要求4所述的大跨径悬索桥纵向组合韧性约束方法，其特征在于，所述S2具体为：

设置速度阈值v，判断桥塔（1）和主梁（4）之间的相对变形速度是否小于速度阈值v；

若是，则将锁定装置设置为自由状态；

若否，则将锁定装置设置为锁定状态，通过速度锁定软钢阻尼器（7）提供阻尼力减弱桥塔（1）和主梁（4）之间的纵向相对变形。

7.根据权利要求6所述的大跨径悬索桥纵向组合韧性约束方法，其特征在于，提供所述阻尼力

的表达式具体为：

式中，x为速度锁定软钢阻尼器的位移，V为桥塔（1）和主梁（4）之间的相对变形速度，v为速度锁定装置的锁定速度，Δy为屈服位移，F _y为速度锁定软钢阻尼器（7）的屈服力，Δu为极限位移，K ₁为弹性刚度，K ₂为速度锁定软钢阻尼器（7）屈服后刚度。

Images