[發明專利]斜拉索減振限位裝置

無效

• 申請號: 200910069699.6
• 申請日: 2009-07-10
• 公開（公告）號: CN101613988A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 畢繼紅;任洪鵬;李記忠;王青太
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: E01D19/00
• 分類號: E01D19/00;E01D11/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 張宏祥

技術領域

本發明涉及橋梁工程領域，尤其涉及一種斜拉橋的拉索減振限位裝置。

背景技術

拉索是斜拉橋的關鍵構件，考慮到拉索的柔性、相對較小的質量及較低的阻尼，在風荷載、風雨共同作用及車輛荷載等活載作用下拉索極易發生振動。拉索振動可分為兩大類：風致振動與非風致振動。風致振動包括渦激共振、尾流馳振、馳振、風雨激振等；非風致振動主要指參數振動和內共振。拉索的大幅振動容易引起錨固端的疲勞，或者損壞拉索端部的腐蝕保護系統，縮短拉索的使用壽命，嚴重時甚至要緊急封閉交通。拉索振動已成為大跨徑斜拉橋急待解決的關鍵問題之一，也引起了國內外學者越來越多的關注。經過20多年的研究，人們已經初步認識拉索振動的機制，在實際工程中也已提出并采用了很多有效的拉索減振措施，取得了明顯的減振效果。現有的減振措施有：空氣動力學措施、結構措施與機械阻尼措施。(一)空氣動力學措施：拉索的風雨激振、渦激共振等都是由于氣流流經拉索時流態發生周期性的改變對拉索進行激勵而引起的。氣動措施就是通過改變拉索的斷面形式或拉索的表面形態來改變拉索的氣動特性，使氣流流經拉索時不再引起拉索的振動。這對抑制拉索的風雨激振很有效，對抑制渦激振動也有一定的效果。空氣動力學減振措施由于沒有完備的理論依據，目前的設計、施工只能依靠現有的經驗和試驗所得的結論，想要達到理想的減振效果難度較大。(二)結構措施：目前已證明有效的結構措施主要是輔助索方法。即將多根斜拉索橫向連接起來，或者用連接器將相互并列的兩根拉索連接起來，達到抑制拉索振動的目的。輔助纜索將拉索連接后，各拉索將不能再單獨振動，任何一階陣型的振動都會使每根拉索或多或少的發生振動。如果僅僅在部分拉索作用動態空氣力或自激振動力，由于輔助索的連接，相對質量變大(意味著相對外力變小)，即可抑制振動。當輔助纜索和拉索的連接非常牢固時，輔助纜索中會產生很大的內力和應變，由于滯回能量的耗散，拉索——輔助纜索體系的阻尼可以提高，這一點已經在實橋上得到驗證。輔助纜索可以增加拉索面內剛度，并可使主索低階頻率提高，但僅用一根輔助纜索時頻率的增大效果是很有限的。輔助索方法的缺點是，破壞了原有索面的景觀；輔助索設計復雜，安裝困難。因此目前設計師都傾向于盡量不采用這種方法。(三)機械減振措施：在拉索的適當部位(通常是在拉索錨固端附近)安裝各種形式的阻尼器，可以提高拉索的模態阻尼來耗散拉索的振動能量。阻尼器方法是一種“廣泛的”減振措施，對各種拉索振動都有良好的減振效果。根據阻尼器所用材料不同可分為高阻尼橡膠減振器、油阻尼器、粘性剪切型阻尼器、MR智能阻尼器(磁流變阻尼器)、摩擦阻尼器等。(1)高阻尼橡膠阻尼器(High?Damping?RubberDamper)利用橡膠和拉索之間的摩擦以及橡膠自身的剪切變形黏滯阻尼耗能。高阻尼橡膠既具有彈性固體性質，又表現出黏性流體特性。彈性固體在外力作用下發生彈性變形，產生勢能而不耗散能量，黏性流體在外力作用下發生不可逆黏性流動，產生熱能而耗散能量。由于粘彈性材料兼具二者特性，所以在工程中應用廣泛。高阻尼橡膠圈可提供的阻尼是有限的，因而減振效果不是很理想。采用高阻尼橡膠圈與其他阻尼器聯合使用是一個發展方向，但它們的放置位置與組合方式還需要做進一步的研究。(2)最初的油阻尼器(Oil?Damper)多采用汽車減振器，由于車用減振器為油壓式，只能提供軸向阻尼力，所以為了控制斜拉索的橢圓形振動，一般一根拉索需要采用兩個阻尼器來控制拉索的面內和面外振動。油阻尼器的主要問題是其機械構造復雜，對微小振動不敏感，使其安裝調節比較麻煩。由于油阻尼器阻尼介質為液體，易發生漏油和滲油現象，其維修費用相對較高。(3)黏性剪切型阻尼器(Viscous?Shear?Damper)是利用黏性材料的剪切變形產生的抵抗力來抑制拉索的振動。一個黏性剪切型阻尼器可同時控制拉索面內、面外兩個方向的振動，并可追蹤由拉索的軸向運動而帶來的阻尼器安裝位置的變化。其構造特點為由阻尼器內插板的運動使黏性材料產生剪切變形，從而將拉索的振動能量傳給黏性材料。黏性剪切型阻尼器構造簡單、機械加工要求低，可通過調節插板的面積和黏性材料的注入量很容易地得到所需的黏性阻尼系數。黏性材料多為高分子化合物，其性能將決定黏性剪切型阻尼器的使用效果。由于黏性材料的阻尼特性和剛度特性對溫度的敏感性很高，因此黏性剪切型阻尼器的減振效果受溫度的影響比較大。(4)磁力阻尼器：(Magnetic?force?Damper)目前僅在日本試驗性地應用于天建寺橋上，該橋為主跨219m的PC斜拉橋。其原理是：拉索發生振動，其上的吸著板接近磁石時將被吸著，當索的側向運動力超過吸著力時，兩者又分離，吸著和分離將改變拉索的振動特性，造成不同振型間能量的傳遞與消耗，達到減振的目的。磁力阻尼器的特點是由于阻尼介質不是液體，對環境適應性能相對比以上三種阻尼器好。尤其值得稱道的是它的耐寒性能很好，可適用于嚴寒地區。它的構造簡單，成本、維修費用均較低。(5)MR智能阻尼器：(Magneto-Rheological?Damper)是一種半主動控制裝置，是以智能材料(磁流變材料)為驅動材料的可調參數阻尼器。兩相磁流變液是一種可控液體，它是用不導電的母液和均勻散布在其中的固體磁性顆粒制成的懸浮液。在磁場作用下，流變液中的固體顆粒就形成一束束纖維狀的鏈，橫架于磁場的兩極之間，這樣，對于平行于電極的剪切力而言，流變液在磁場的作用下就會發生磁流變效應，即從流動性良好的具有一定黏滯度的牛頓流體轉變為具有一定屈服力的黏塑體，從而達到減振效果。電流變阻尼器與磁流變阻尼器相比，所需的外加電壓要高得多，通常要高達數百伏，實現起來有一定的困難。磁流變阻尼器的優點是：受溫度等環境因素影響小，阻尼系數的大小可以通過調節輸入電壓來調整，從而使每根拉索的阻尼力達到最佳狀態，取得良好的制振效果。磁流變阻尼器的缺點是：控制力只有通過輸入電流或電壓、改變阻尼器磁場強度并被動的依賴結構振動產生阻尼器間的相對速度才能實現。(6)摩擦型阻尼器(Friction?Damper)是利用摩擦來消耗拉索振動的能量，從而達到減振的效果。目前開發的摩擦型阻尼器有以下特點：摩擦力可調；易于安裝；安裝好后，阻尼力為常數，不隨振動速度和頻率變化；阻尼器的特性對拉索在不同受力狀態下的軸向拉伸不敏感；阻尼器個體較小，不影響景觀；由于存在靜摩擦力，因此該阻尼器對拉索的微幅振動不敏感。摩擦型阻尼器的缺點是：由于諸多因素的限制，它不能放置離橋面太高，所以減振效果受到了極大的限制。