阅读说明：本技术 大跨桥梁长吊杆减振的四线摆式调谐质量阻尼器及设计方法 (The four string pendulum formula tuned mass dampers and design method of long span bridge beam length sunpender vibration damping ) 是由 安永辉 贡悦 王中正 欧进萍 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大跨桥梁长吊杆减振的四线摆式调谐质量阻尼器及设计方法,属于桥梁结构振动控制技术领域。在待控吊杆上安装该阻尼器,安装位置和数量通常是在吊杆中点安装一个,但不限于中点也不限个数,应根据减振效果的需求进行方案设计。该阻尼器包含支架及通过四根摆线悬挂在阻尼器支架四个悬臂下方的薄壁式环形阻尼器配重。阻尼器摆动反馈给吊杆一个与吊杆振动方向相反的控制力,阻尼器通过摆线与支架连接处的万向转动球铰或/和吊杆与配重间的空气阻尼器等耗散能量。该阻尼器对吊杆的位移和速度响应有显著的控制效果,且其结构形式简单、制作安装及维护成本低廉,对保障桥梁与行车安全、延长吊杆服役寿命等有积极意义。(The invention discloses a kind of four string pendulum formula tuned mass dampers of long span bridge beam length sunpender vibration damping and design methods, belong to bridge structure vibration control technology field.The damper is installed on sunpender to be controlled, installation site and quantity are usually to install one at sunpender midpoint, but be not limited to midpoint also unlimited number, should carry out conceptual design according to the demand of effectiveness in vibration suppression.The damper includes bracket and is suspended on the thin wall-type ring damper counterweight below four cantilevers of damper mount by four cycloids.Damper oscillatory feedback gives sunpender one control force opposite with sunpender direction of vibration, and damper passes through the dissipation energies such as the air damper between cycloid and the universal rotational flexural pivot or/and sunpender and counterweight of bracket junction.The damper has significant control effect to the displacement of sunpender and speed responsive, and its structure type is simple, fabrication and installation and maintenance cost are cheap, has positive effect to guarantee bridge and traffic safety, extension sunpender service life etc..)

大跨桥梁长吊杆减振的四线摆式调谐质量阻尼器及设计方法

技术领域

本发明属于工程结构振动控制技术领域，具体为基于调谐质量阻尼器的结构被动控制领域，具体的应用是实现大跨悬索桥或拱桥长吊杆的振动控制。

背景技术

近年来，我国大跨桥梁不断兴建。桥梁跨越江、河、湖、海，在交通路网中起到了重要作用，是交通路网中必不可少的枢纽，为人们出行带来便利。大跨桥梁具有建造费用高、服役时间长，服役环境恶劣等特点，其设计、建造与维护无时无刻不面临着巨大的技术难题与挑战。吊杆作为悬索桥和拱桥中主要传力构件，具有长度长、柔度大、长期处于高应力状态的特性，是最脆弱、最容易受损的构件之一。吊杆的服役状况在悬索桥和拱桥的整个服役过程中显得尤为重要。吊杆在长期的往复振动下容易造成疲劳损伤，从而减小吊杆的服役寿命。在极端天气下，吊杆还可能发生大幅振动，对桥梁结构和交通安全构成威胁。因此，需要采取有效的减振措施来控制吊杆振动，延长吊杆服役寿命。

本发明提出了一种大跨桥梁长吊杆减振的四线摆式调谐质量阻尼器，它是一种结构被动控制装置，通过改变悬吊配重物的质量与配重物和吊杆间的弹簧刚度调谐频率，利用万向转动球绞与空气阻尼器等来耗散能量，从而起到抑制待控吊杆水平振动的效果。摆式调谐质量阻尼器具有结构形式简单、成本低、容易设计调谐等优点。在实际工程中，摆式调谐质量阻尼器多用于高耸建筑物的振动控制中，本发明将其引入桥梁结构用于吊杆减振。本发明提出的四线摆式调谐质量阻尼器对于吊杆的动力响应有显著抑制，可对吊杆的振动起到积极的控制效果。

发明内容

本发明提供了一种大跨桥梁长吊杆减振的四线摆式调谐质量阻尼器，该阻尼器装置能减小桥梁吊杆在各种激励作用下的水平动力响应，抑制吊杆的水平振动。

本发明的技术方案：

一种大跨桥梁长吊杆减振的四线摆式调谐质量阻尼器，所述的用于桥梁吊杆1减振的四线摆式调谐质量阻尼器包括阻尼器支架2、万向转动球绞3、摆线4、薄壁式环形阻尼器配重5；其中，当用于在役桥梁吊杆时，阻尼器支架2由两个相同分体拼接构成，形成中间为圆环结构、外部呈十字架的悬臂，悬臂上开有螺栓孔6，在其圆环内侧添加防滑垫圈后通过螺栓孔6用螺栓将其固定于桥梁吊杆1的安装位置；薄壁式环形阻尼器配重5由两个相同半圆环形分体通过螺栓7用螺栓拼接而成；拼接之后的整体包含四个用于悬吊薄壁式环形阻尼器配重5的悬臂，阻尼器支架2；万向转动球绞3上部与阻尼器支架2的悬臂端部连接为一体，其下部与摆线4的上端连接为一体；万向转动球绞3在四线摆式调谐质量阻尼器摆动过程中能任意方向转动，并在阻尼器摆动过程中提供阻尼，其提供阻尼的大小可调并与钢球与球铰壁之间的摩擦力相关；阻尼还能通过在薄壁式环形阻尼器配重5与桥梁吊杆1之间设置空气阻尼器的方式提供，根据减振需求，设计多种形式的阻尼提供方式并存以提高减振效果；摆线4的下端与薄壁式环形阻尼器配重5铰接，摆线4在摆动过程中能够与薄壁式环形阻尼器配重5发生相对转角；薄壁式环形阻尼器配重5的尺寸根据待控制桥梁吊杆1的基本参数进行设计确定，保证薄壁式环形阻尼器配重5在摆动过程中不与桥梁吊杆1碰撞；四线摆式调谐质量阻尼器至少在桥梁吊杆1中点位置安装一个，其他位置是否安装以及安装数量根据待控桥梁吊杆1的动力特性及其减振需求确定。

一种大跨桥梁长吊杆减振的四线摆式调谐质量阻尼器的设计方法，步骤如下：

步骤一，通过实地勘测或翻阅设计参数获得待控桥梁吊杆1的基本参数：吊杆含护套的外径、吊杆自振频率；

步骤二，确定待设计四线摆式调谐质量阻尼器的基本设计参数：

(1)薄壁式环形阻尼器配重5与桥梁吊杆1的质量比为1％～5％，在此范围内质量比越大，减振效果越好，根据实际待控制桥梁吊杆1的减振需求确定；

(2)最优频率比和最优阻尼比：通过最优频率比和最优阻尼比的经验公式得到；

(3)阻尼器设计基频：桥梁吊杆1的基频乘以最优频率比；阻尼器设计基频确定后，计算摆长由单摆周期公式获得；计算摆长为摆线4长度和薄壁式环形阻尼器配重5高度的一半之和；确定质量后的薄壁式环形阻尼器配重5的高度影响其内外径，外径过大影响其美观，内径过小易导致其在运动中碰撞桥梁吊杆1，所以，摆线4长度与薄壁式环形阻尼器配重5高度的比值在同时满足美观和不碰撞吊杆两个要求的前提下在0.5～5之间取较小的值，以获得更优的减振效果；至此，摆线4长度与薄壁式环形阻尼器配重5高度已获得；

(4)薄壁式环形阻尼器配重5的厚度与内径：先确定内径，以保证薄壁式环形阻尼器配重5与桥梁吊杆1不发生碰撞，同时避免内径过大影响桥梁美观；薄壁式环形阻尼器配重5的内径与高度均确定后，由薄壁式环形阻尼器配重5的质量确定其环形薄壁的厚度；

步骤三，根据步骤二得出的薄壁式环形阻尼器配重5的尺寸及摆线4长度，加工四线摆式调谐质量阻尼器；

步骤四，将加工制成的四线摆式调谐质量阻尼器安装在实验室一个竖直的、且与桥梁吊杆1外径相同的杆上，并使其自由摆动，测量其位移信号，使用自由振动衰减法测定其阻尼比，并通过调整万向转动球铰3中的摩擦力或通过设置其他阻尼的方式来调整阻尼比大小，使其达到或接近最优阻尼比；

步骤五，将四线摆式调谐质量阻尼器通过阻尼器支架2连接固定在待控桥梁吊杆1的安装位置处。

本发明的有益效果：四线摆式调谐质量阻尼器安装在大跨桥梁长吊杆上能有效减小该吊杆的位移响应和速度响应，提升桥梁行车舒适性与安全性，同时减小吊杆的疲劳损伤，进而有效延长吊杆使用寿命；该发明具有结构形式简单、安装方便、造价低廉、易于调谐和易于维护等优点。

附图说明

图1是发明的大跨桥梁吊杆四线摆式调谐质量阻尼器示意图。

图2是阻尼器支架的两个分体之一示意图。

图3是万向转动球铰示意图。

图4是相同的带限白噪声激励下某吊杆中点有无四线摆式调谐质量阻尼器时的位移时程曲线数值模拟结果；图4a是无四线摆式调谐质量阻尼器时该吊杆中点位移时程曲线数值模拟结果；图4b是有四线摆式调谐质量阻尼器时该吊杆中点位移时程曲线数值模拟结果。

图5是相同的带限白噪声激励下某吊杆中点有无四线摆式调谐质量阻尼器时的速度时程曲线数值模拟结果；图5a是无四线摆式调谐质量阻尼器时该吊杆中点速度时程曲线数值模拟结果；图5b是有四线摆式调谐质量阻尼器时该吊杆中点速度时程曲线数值模拟结果。

图中：1桥梁吊杆；2阻尼器支架；3万向转动球绞；4摆线；5薄壁式环形阻尼器配重质量块；6螺栓孔。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

以某悬索桥的一根吊杆为例，对本发明的阻尼器尺寸参数设计方法与安装过程进行详细说明，并结合数值模拟结果说明本发明用于吊杆减振的效果。

选取的某悬索桥吊杆，其有效计算长度为61.289m，吊杆质量为1483.182Kg，通过有限元建模并分析得到该吊杆的一阶自振频率为1.499Hz。根据本发明提出的步骤对四线摆式调谐质量阻尼器的尺寸进行设计，环形阻尼器配重与待控吊杆的质量比设为3％，其质量为44.495Kg,根据阻尼器最优频率比和最优阻尼比经验公式得到其最优频率比为0.964，最优阻尼比为0.086；因此，摆式阻尼器的频率设为1.445Hz；

如下式1为四线摆式调谐质量阻尼器摆动频率公式，式2为四线摆式调谐质量阻尼器运动的微分方程，求解式1得到四线摆式薄壁环形阻尼器配重的高度2a和摆线长度l₀：

其中f_p为四线摆摆动的频率Hz；g为重力加速度；a为薄壁式环形阻尼器配重高度的一半；l₀为摆线长度；θ、分别为四线摆的摆角、摆角的角速度和摆角的角加速度；ζ为四线摆式调谐质量阻尼器的阻尼比；ω为四线摆的圆频率；为吊杆上连接阻尼器位置的加速度。经计算，该四线摆式调谐质量阻尼器的参数如下：环形阻尼器配重的高度2a为0.108m、薄壁厚度为0.045m、外径为0.415m、摆线长度为0.065m。

为检验该阻尼器的减振效果，首先建立待控吊杆的有限元模型，利用瞬态分析的方法分别得出该吊杆安装四线摆式调谐质量阻尼器前后的动力响应，其中吊杆中点位置安装阻尼器前后的位移与速度动力响应结果分别如图4与图5所示。从图中可以直观看出，吊杆中点位置的位移与速度响应明显有所减小。

表1为相同的带限白噪声激励下有无四线摆式调谐质量阻尼器时某吊杆中点的动力响应的对比，且表1的结果是多组随机白噪声激励下动力响应的均值，从表1可以看出，在本例中安装发明的阻尼器后：吊杆中点的位移峰值较安装阻尼器之前降低38.48％，位移方差较安装阻尼器之前降低67.74％；速度峰值较安装阻尼器之前降低21.81％，速度方差较安装阻尼器之前降低43.28％。可以看出，在相同的带限白噪声激励下，发明的四线摆式调谐质量阻尼器能大幅减小吊杆的位移和速度振动响应，对吊杆振动具有积极的控制效果。

表1.有无四线摆式调谐质量阻尼器时某吊杆中点响应对比