CN203174488U - 一种低频质量调谐阻尼装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种低频质量调谐阻尼装置，由顶盖、底座和立柱构成框体；顶点重合的大菱形框架和小菱形框架，各个顶点均通过转动铰连接，其中上顶点铰接在顶盖的中部，活动质量系统与大菱形框架的下顶点铰接，若干圆柱拉伸弹簧，下部固定于安装板上，上部固定于顶盖上，安装板与小菱形框架的下顶点铰接，安装板的左右两端通过弹簧-阻尼导向轮与立柱触接，与圆柱拉伸弹簧平行的黏滞阻尼器，下部与安装板铰接，上部与顶盖铰接。本实用新型所述的装置，利用杠杆作用原理，将活动质量与刚度装置分离，利用杠杆放大原理，在满足阻尼装置频率要求的同时降低弹簧的静力变形量，该装置的减振原理清晰，构造简单，可有效应用于受控频率较低的桥梁振动控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于桥梁结构竖向振动控制的耗能减振装置，属于桥梁结构振动控制领域，具体说是一种低频质量调谐阻尼装置。尤其适用于控制频率较低的大跨度桥梁的风致涡激振动控制。
背景技术
随着我国跨海大桥的不断修建，大跨度桥梁结构在较低风速下很容易出现涡激振动。由于其起振风速较低，且振幅之大足以影响行车安全，因此，避免涡激振动或者限制其振动幅值在可接受的范围内具有十分重要的意义。
质量调谐阻尼器通过调节自身频率与主结构产生共振，将主结构的振动转化为减振器的活动质量块的振动，同时通过阻尼器内的耗能装置，将活动质量块的振动能量迅速消耗，以达到降低和控制主结构振动的目的。该装置已在受控频率相对较高的人行天桥振动控制及钢箱梁桥的振动控制中得到了广泛的理论研究和工程应用。如专利号为200810082654.8，名为“弹簧刚度可调式调谐质量阻尼器”的专利，应用弹簧刚度调节装置调节减振器的刚度，简化了调整工作难度；专利号为200810082663.7，名为“阻尼比可调式调谐质量减振器”的专利，为阻尼比可调式竖向质量调谐减振器；专利号为201110197020.9，名为“大跨度桥梁用减震钢箱梁”的专利，利用现有大跨度桥梁钢箱梁中用于压重的质量块，将其改造设计成减小钢箱梁振动响应的调谐质量阻尼器，以减小各类激励下主梁的振动响应。以上专利虽然构造不同，但其共同点在于，刚度和质量直接作用，可以较好的满足受控频率较高的结构。
对于大跨度桥梁而言，其受控模态频率较低，按照上述常规的质量调谐阻尼器构造方案，在满足频率要求之后的弹簧静力压缩量非常大，由于阻尼器一般安装在主梁内，因此难以设计出同时满足性能要求和结构空间的弹簧装置。
实用新型内容
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种低频质量调谐阻尼装置，利用杠杆作用原理，将活动质量与刚度装置分离，利用杠杆放大原理，在满足阻尼装置频率要求的同时降低弹簧的静力变形量，该装置的减振原理清晰，构造简单，可有效应用于受控频率较低的桥梁振动控制。
为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：
一种低频质量调谐阻尼装置，其特征在于，包括：框架系统、杠杆放大系统、活动质量系统、弹簧系统和阻尼系统；
所述框架系统包括：顶盖3和与桥体的主梁固定连接的底座1，二者通过两侧设置的立柱2连接；
所述杠杆放大系统包括：大菱形框架5和小菱形框架6，大菱形框架5和小菱形框架6的各个顶点均通过转动铰4连接，其中，大菱形框架5和小菱形框架6的上顶点重合，且铰接在顶盖3的中部，小菱形框架6的左、右顶点分别位于大菱形框架5的框体上；
所述活动质量系统与大菱形框架5的下顶点铰接，
所述弹簧系统包括：至少八个沿立柱2方向等间隔平行设置的圆柱拉伸弹簧9，圆柱拉伸弹簧9为阻尼系统的阻尼器提供刚度，圆柱拉伸弹簧9的下部均固定于安装板10上，上部均固定于顶盖3上，安装板10与小菱形框架6的下顶点铰接，安装板10的左右两端通过弹簧-阻尼导向轮12与立柱2触接，控制安装板10沿立柱2的方向进行竖向振动；
所述阻尼系统包括：四个黏滞阻尼器11，黏滞阻尼器11两左两右对称设置在两个圆柱拉伸弹簧9之间，黏滞阻尼器11的下部均与安装板10铰接，上部均与顶盖3铰接。
在上述技术方案的基础上，大菱形框架5和小菱形框架6为相似形，其相似比为杠杆放大倍数。
在上述技术方案的基础上，所述活动质量系统包括：活动质量块7和质量块导向装置8，活动质量块7与大菱形框架5的下顶点铰接，活动质量块7左右两侧和同侧的立柱2之间均设有至少两个质量块导向装置8。
在上述技术方案的基础上，框架系统的底座1由4根型钢焊接而成，并与主梁固定，立柱2为4根型钢组成，下部与底座1焊接，上部与顶盖3焊接，形成减振器的整体框架。
在上述技术方案的基础上，减振器的整体框架的尺寸为1.85×1.25×3.5。
本实用新型所述的低频质量调谐阻尼装置，利用杠杆作用原理，将活动质量与刚度装置分离，利用杠杆放大原理，在满足阻尼装置频率要求的同时降低弹簧的静力变形量，该装置的减振原理清晰，构造简单，可有效应用于受控频率较低的桥梁振动控制。
附图说明
本实用新型有如下附图：
图1本实用新型的半立面图和半剖面图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型所述的低频质量调谐阻尼装置，包括：框架系统、杠杆放大系统、活动质量系统、弹簧系统和阻尼系统；
所述框架系统包括：顶盖3和与桥体的主梁固定连接的底座1，二者通过两侧设置的立柱2连接；
所述杠杆放大系统包括：大菱形框架5和小菱形框架6，大菱形框架5和小菱形框架6的各个顶点均通过转动铰4连接，其中，大菱形框架5和小菱形框架6的上顶点重合，且铰接在顶盖3的中部，小菱形框架6的左、右顶点分别位于大菱形框架5的框体上，小菱形框架6的下顶点与弹簧系统中的安装板10铰接，故共有七个转动铰4，大菱形框架5和小菱形框架6为相似形，其相似比为杠杆放大倍数；
所述活动质量系统包括：活动质量块7和质量块导向装置8，活动质量块7与大菱形框架5的下顶点铰接，活动质量块7左右两侧和同侧的立柱2之间均设有至少两个质量块导向装置8；
所述弹簧系统包括：至少八个沿立柱2方向等间隔平行设置的圆柱拉伸弹簧9，每四个圆柱拉伸弹簧9为一组，分为两组分别在装置的前部和后部设置，圆柱拉伸弹簧9的下部均固定于安装板10上，上部均固定于顶盖3上，如上所述，安装板10与小菱形框架6的下顶点铰接，安装板10的左右两端通过弹簧-阻尼导向轮12与立柱2触接，控制安装板10沿立柱2的方向进行竖向振动；
所述阻尼系统包括：四个黏滞阻尼器11，黏滞阻尼器11两左两右对称设置在两个圆柱拉伸弹簧9之间，即：装置的前部和后部分别设有两个黏滞阻尼器11，每个黏滞阻尼器11均位于两个圆柱拉伸弹簧9之间，黏滞阻尼器11的下部均与安装板10铰接，上部均与顶盖3铰接。黏滞阻尼器11与安装板10和顶盖3均为铰接，可以保证黏滞阻尼器11在工作状态中始终只承受轴向力而不承受弯矩。
以下为一个本实用新型所述的低频质量调谐阻尼装置的具体实施例：包括：框架系统、杠杆放大系统、活动质量系统、弹簧系统和阻尼系统；
框架系统的底座1由4根型钢焊接而成，并与主梁固定，立柱2为4根型钢组成，下部与底座1焊接，上部与顶盖3焊接，形成减振器的整体框架。减振器的整体框架的尺寸为1.85（长）×1.25（宽）×3.5（高）。
杠杆放大系统包含7个转动铰4，保证了整个杠杆系统在振动过程中的灵活转动，其中最上面的上顶点处为固定铰，其转动轴固定在顶盖3上，大菱形框架5由4根杆组成，杆件连接处（指各个顶点）均为轴承连接的铰，小菱形框架6由2根压杆和大菱形框架5的部分杆件构成，大小菱形框架的相似比为杠杆的放大倍数，通过杠杆系统的转化，成功的解决了一般TMD的静位移过大的问题。
大菱形框架5的下顶点连接活动质量块7，活动质量块的质量块7可以根据现场实际情况进行调整，以保证质量调谐阻尼器与结构主控频率的最优频率比；活动质量块7通过附着于立柱2上的质量块导向装置8进行导向控制。
小菱形框架6的下顶点与安装板10铰接，安装板10与圆柱拉伸弹簧9底部固定，与黏滞阻尼器11底部铰接。
圆柱拉伸弹簧9为阻尼系统的阻尼器提供刚度，顶部与顶盖3固定；黏滞阻尼器11为阻尼器提供阻尼耗能装置，顶部与顶盖3铰接。
固定于立柱2的弹簧-阻尼导向轮12导引安装板10沿竖向振动，从而控制圆柱拉伸弹簧9和黏滞阻尼器11仅沿着竖向振动。
当主梁以受控频率振动时，底座1将主梁的振动传递到了阻尼器上，活动质量块7在质量块导向装置8的导引下，沿竖向产生振幅为A的大幅振动，同时圆柱拉伸弹簧9和黏滞阻尼器11也以A/n的振幅发生振动。阻尼器的质量调谐作用体现在将主结构的振动转移到活动质量块7的大幅振动上，同时由黏滞阻尼器11消耗阻尼器中的振动能量，完成振动能量的转移和消耗过程，从而达到控制主结构振动的目的。
本实用新型的工作过程如下：当桥梁结构以阻尼器的受控频率振动时，阻尼器由于共振，其活动质量块7在质量块导向装置8的导引下，将主结构的振动转化为活动质量块7的竖向大幅振动。活动质量系统与弹簧系统、阻尼系统通过杠杆放大系统联系为一个整体，若杠杆的放大系数为n，则当活动质量块7发生幅值为A的竖向振动时，圆柱拉伸弹簧9和黏滞阻尼器11以A/n的幅值振动，黏滞阻尼器11在振动过程中耗散能量，以达到减小和控制桥梁结构竖向振动的目的。
本实用新型在总结常规的质量调谐阻尼装置优缺点的基础上，利用杠杆作用原理，提出了一种特殊构造的低频调谐质量阻尼装置，该阻尼装置将活动质量与刚度装置分离，利用杠杆放大原理，在满足阻尼装置频率要求的同时降低弹簧的静力变形量，该装置的减振原理清晰，构造简单，可有效应用于受控频率较低的桥梁振动控制。
以某跨海大桥为例，其主梁竖向一阶振型对应的模态质量为8413.6t，振动频率为0.33Hz，根据风动实验的结果，需要设置8个TMD，每个TMD的活动质量块为3.75t。选用本实用新型，杠杆放大倍数取为5，每个弹簧的刚度为20.15N/mm，采用20个圆柱拉伸弹簧，弹簧钢丝直径18mm，中径120mm，压并高度为576mm，弹簧的静位移为456mm，通过在加工过程中采用预拉力的措施，可以将静位移减小到400mm。本实施例中，其受控频率值为0.33Hz，取杠杆放大倍数为5倍，则弹簧的静力变形量为0.456m，常规弹簧设计即可满足要求，本实用新型构造装置可用于实际大跨度桥梁振动控制。圆柱拉伸弹簧9无失稳现象，弹簧中径较小以节约空间，预拉力可以减小拉伸弹簧的变形量。
本实用新型具有以下优点：
1、通过精心设计的杠杆放大系统，可以在降低阻尼器竖向振动频率的同时，圆柱拉伸弹簧的静态变形量控制在常规弹簧的变形范围内；
2、圆柱拉伸弹簧不存在失稳问题，弹簧的长径比不受限制，预拉力可以减小拉伸弹簧的伸长量，节约空间；
3、逐步增加活动质量块的质量，圆柱拉伸弹簧逐步伸长至静力平衡位置，勿需对圆柱拉伸弹簧做工装，安装简单；
4、黏滞阻尼器两端铰接，可以保证黏滞阻尼器始终不承受弯矩，只发生轴向运动；
5、活动质量块导向装置和弹簧-阻尼导向轮可以保证三者都只发生竖向振动。
6、大小菱形框架为相似形，可以保证活动质量块、弹簧、黏滞阻尼器三者的振动关系满足严格的倍数关系。
7、通过菱形装置的转换，活动质量块的大幅振动可转化到绕顶部固定转动轴较小的转角，保证了阻尼器振动频率的稳定。
8、调谐质量阻尼器的刚度和阻尼完全分离，调节其中一项不会对另一项产生影响。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种低频质量调谐阻尼装置，其特征在于，包括：框架系统、杠杆放大系统、活动质量系统、弹簧系统和阻尼系统；
所述框架系统包括：顶盖（3）和与桥体的主梁固定连接的底座（1），二者通过两侧设置的立柱（2）连接；
所述杠杆放大系统包括：大菱形框架（5）和小菱形框架（6），大菱形框架（5）和小菱形框架（6）的各个顶点均通过转动铰（4）连接，其中，大菱形框架（5）和小菱形框架（6）的上顶点重合，且铰接在顶盖（3）的中部，小菱形框架（6）的左、右顶点分别位于大菱形框架（5）的框体上；
所述活动质量系统与大菱形框架（5）的下顶点铰接，
所述弹簧系统包括：至少八个沿立柱（2）方向等间隔平行设置的圆柱拉伸弹簧（9），圆柱拉伸弹簧（9）为阻尼系统的阻尼器提供刚度，圆柱拉伸弹簧（9）的下部均固定于安装板（10）上，上部均固定于顶盖（3）上，安装板（10）与小菱形框架（6）的下顶点铰接，安装板（10）的左右两端通过弹簧-阻尼导向轮（12）与立柱（2）触接，控制安装板（10）沿立柱（2）的方向进行竖向振动；
所述阻尼系统包括：四个黏滞阻尼器（11），黏滞阻尼器（11）两左两右对称设置在两个圆柱拉伸弹簧（9）之间，黏滞阻尼器（11）的下部均与安装板（10）铰接，上部均与顶盖（3）铰接。
2.如权利要求1所述的低频质量调谐阻尼装置，其特征在于：大菱形框架（5）和小菱形框架（6）为相似形，其相似比为杠杆放大倍数。
3.如权利要求1所述的低频质量调谐阻尼装置，其特征在于：所述活动质量系统包括：活动质量块（7）和质量块导向装置（8），活动质量块（7）与大菱形框架（5）的下顶点铰接，活动质量块（7）左右两侧和同侧的立柱（2）之间均设有至少两个质量块导向装置（8）。
4.如权利要求1所述的低频质量调谐阻尼装置，其特征在于：框架系统的底座（1）由（4）根型钢焊接而成，并与主梁固定，立柱（2）为（4）根型钢组成，下部与底座（1）焊接，上部与顶盖（3）焊接，形成减振器的整体框架。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN107228147A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-10-03 | 浙江大学 | 一种永磁式超低频竖向调谐质量阻尼器 |
| CN110273487A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-09-24 | 浙江大学 | 一种能够显著减小弹簧静伸长量的低频竖向减振调谐质量阻尼器 |
| CN111765200A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-10-13 | 北京航天发射技术研究所 | 垂向减震机构 |
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