一种透空式防波堤的减振结构
技术领域
本实用新型属于透空式防波堤领域，特别涉及该领域中的一种透空式防波堤的减振结构。
背景技术
防波堤是港口水工建筑物的重要组成部分，能保护港口水域不受风浪的影响，形成有掩护的水域，维护港内水域平稳。近年来，随着我国“蓝色海湾”建设的提速，透空式防波堤已经成为研究的热点。透空式防波堤一般由上部挡浪板和下部支撑桩柱组成，其结构简单、建设成本较低。根据波浪理论，波动主要发生在水体上层厚度为2到3倍波高的范围内，集中的波浪能量大约为总能量的90％～98％，因此透空式防波堤在水面附近布置挡浪板可起到较好的削减波浪作用，另外其底部一般由插入海床的支撑桩柱组成，可满足保证海水交换、改善港内水质环境的需求。透空式防波堤已逐渐在国内外的一些工程中得以实施。
与传统的防波堤相比，透空式防波堤底部透空，因此在极端海况下透空式防波堤的稳定性及安全性受到极大的挑战，在极端海况下透空式防波堤的水平位移过大易导致挡浪板、支撑桩柱所受的内力超过设计要求。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种基于动力吸振器原理的透空式防波堤减振结构。
本实用新型采用如下技术方案：
一种透空式防波堤的减振结构，其改进之处在于：在防波堤挡浪板的顶部开设三个在一横排上的槽，左右两槽与中间槽之间通过横向孔道相通，在左右两个槽的底部均安装液压系统和由液压系统控制的竖直向上伸出槽外的伸缩杆，在左右两槽与上述孔道相对的侧壁上均设置顶紧伸缩杆的垫块，在中间槽内安装压力机，压力机左右两侧的压杆分别穿过相应孔道与左右两槽中的伸缩杆相对，在挡浪板顶部左右两槽之间放置两片以上的配重片，各配重片的两侧分别穿在左右两槽的伸缩杆上，在两个伸缩杆的上部均缠绕电磁线圈、顶部则安装可拉动各配重片升降的滑轮，在挡浪板的迎浪侧安装波高仪和水位测量仪，在挡浪板的顶部安装调控系统，该调控系统与上述的波高仪和水位测量仪电连接并接收其发送的数据，与液压系统、压力机和滑轮电连接并控制其工作，蓄电池为减振结构内的各部件供电，蓄电池与电磁线圈之间的电源开关由调控系统控制。
进一步的，中间槽位于左右两槽间的中间位置。
进一步的，在压杆与伸缩杆相对的端部安装垫块。
进一步的，电磁线圈的长度大于各配重片的高度之和。
进一步的，调控系统由信号处理器和控制器组成，其中信号处理器与波高仪和水位测量仪电连接并接收其发送的数据；控制器与液压系统、压力机和滑轮电连接并控制其工作，蓄电池与电磁线圈之间的电源开关由控制器控制。
进一步的，蓄电池与电磁线圈之间的电流大小由控制器控制。
一种透空式防波堤的减振方法，使用上述的减振结构，其改进之处在于：
(1)当波浪超过设定海况时，通过波高仪测量波浪波高和周期参数，通过水位测量仪测量海面水位，并以电信号形式将数据传送至调控系统；
(2)调控系统的信号处理器对步骤(1)的数据进行分析，通过设定减振结构的水平位移限值Y2，根据波浪的荷载幅值FP和公式
(3)调控系统的控制器根据信号处理器的计算结果向左右两槽内的液压系统发出指令，由左右两槽内的液压系统分别控制其伸缩杆同步伸至高度l，控制器向左右两槽内伸缩杆顶部的滑轮发出指令，左右两槽内的滑轮同步将重量和为m2的配重片升至伸缩杆上部；
(4)如波浪降至设定海况以下，控制器向左右两槽内伸缩杆顶部的滑轮发出指令，左右两槽内的滑轮同步将配重片降回挡浪板顶部，调控系统的控制器向左右两槽内的液压系统发出指令，由左右两槽内的液压系统分别控制其伸缩杆同步缩回至初始位置；如波浪仍超过设定海况，则重复执行步骤(1)-(3)。
进一步的，在步骤(3)中，控制器向中间槽内的压力机发出指令，压力机左右两侧的压杆分别穿过孔道将与其相对的伸缩杆抵紧在垫块上；在步骤(4)中，控制器向中间槽内的压力机发出指令，压力机左右两侧的压杆分别与其相对的伸缩杆脱离。
进一步的，在步骤(3)中，控制器接通蓄电池与电磁线圈之间的电源开关，将各配重片吸附在伸缩杆上；在步骤(4)中，控制器断开蓄电池与电磁线圈之间的电源开关。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型所公开的减振结构，结构简单、施工方便快捷，基于动力吸振器原理，可显著提升透空式防波堤结构的稳定性并使其免受振动破坏，虽成本低但减振效果显著。
要实现配重片沿伸缩杆滑动，两者间一定会存在间隙，而间隙的存在将导致减振结构在消减振动时，伸缩杆与配重片发生相对位移，这对减振效果有很大的影响。本发明所公开的减振结构在伸缩杆上部与配重片有接触的区段缠绕电磁线圈，通过控制蓄电池与电磁线圈之间的接通或断开，控制电磁线圈的磁性有无；通过改变电磁线圈内电流的大小，控制电磁线圈的磁性强弱。当遇到极端海况时，滑轮通过绳索将配重片升到伸缩杆上部后为电磁线圈通电，配重片被电磁线圈产生的强大磁力吸附，配重片与伸缩杆之间不发生任何位移，形成稳定的整体结构；当海洋环境恢复正常海况时为电磁线圈断电，磁力消失，配重片与伸缩杆分离为两个独立的个体，滑轮通过绳索使配重片沿伸缩杆下降。
在左右两槽与上述孔道相对的侧壁上均设置顶紧伸缩杆的垫块，在中间槽内安装压力机，且压力机左右两侧的压杆分别穿过相应孔道与左右两槽中的伸缩杆相对，当遇到极端海况时，伸缩杆同步伸至指定高度后，压力机通过左右两侧的压杆同时对与其相对的伸缩杆施加压力，使其抵紧在垫块上，无法产生任何侧向位移，则伸缩杆与透空式防波堤形成稳定的整体；当海洋环境恢复正常海况时，撤去左右两侧压杆的压力，使伸缩杆和垫块分离，允许伸缩杆缩回。
本实用新型所公开的减振方法，可在极端海况下根据海况变化自动调整减振结构的伸缩杆伸缩和配重片升降，为透空式防波堤提供及时、有效的保护，从而显著减少透空式防波堤的水平振动。
附图说明
图1是减振结构在设定海况以下时的主视结构示意图；
图2是减振结构在超过设定海况时的主视结构示意图；
图3是减振结构的俯视结构示意图；
图4是减振结构中电磁线圈部分的局部放大图；
图5是压力机通过压杆作用于伸缩杆的示意图；
图6是减振结构中各部分间的信号传递关系与控制关系示意图；
图7是透空式防波堤安装本实施例所公开减振结构后的等效双自由度体系图；
图8是透空式防波堤在未安装本实施例所公开减振结构时的数值模型图；
图9是透空式防波堤在安装本实施例所公开减振结构后的数值模型图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
在详细介绍本发明的实施例之前，先简单介绍一下动力吸振器的原理如下：
简谐荷载作用于双自由度体系，根据动力荷载作用下的振动方程，解得位移幅值为：
其中：D0＝(k11-θ2m1)(k22-θ2m2)-k12k21
D1＝(k22-θ2m2)FP1-k12FP2
D2＝-k21FP1+(k11-θ2m1)FP2
当荷载只作用在主体结构上时，即FP1(t)＝FPsinθt，刚度系数为：k11＝k1+k2，k12＝k21＝-k2，k22＝k2；荷载幅值为：FP1＝FP，FP2＝0；
代入得：
其中：
当k2＝θ2m2时：
Y1＝0
式中，Y1、Y2分别为主体和附属部分位移幅值，k1，k2分别为主体和附属部分杆件刚度系数，θ为荷载频率。
当没有附属结构吸振时，主体结构的位移幅值为：
其中ω为结构的自振频率，
这说明，在设计完成防波堤主体部分时，再按照k2＝θ2m2的方式来设计附属结构，透空式防波堤主体与附属结构近似构成了动力荷载作用下的双自由度体系，可以起到减振效果。因此，在设计附属结构时，可根据附属部分的许可位移振幅Y2、外荷载幅值FP选定杆件刚度系数k2，再由荷载频率θ、刚度系数k2确定配重片重量m2。
综上：由动力吸振器原理可得，本实施例所公开透空式防波堤减振结构工作时应遵循：
伸缩杆刚度：
伸缩杆高度：
配重片重量：
实施例1，如图1-5所示，本实施例公开了一种透空式防波堤的减振结构，透空式防波堤由两侧的桩柱1和桩柱上部间的挡浪板2组成，挡浪板可以看成刚性体。在防波堤挡浪板的顶部开设三个在一横排上的槽，左右两槽与中间槽之间通过横向孔道相通，在左右两个槽的底部均安装液压系统8和由液压系统控制的竖直向上伸出槽外的伸缩杆3(相当于减振结构的桩柱)，在左右两槽与上述孔道相对的侧壁上均设置顶紧伸缩杆的垫块，在中间槽内安装压力机12，压力机左右两侧的压杆13分别穿过相应孔道与左右两槽中的伸缩杆相对，在挡浪板顶部左右两槽之间放置两片以上的配重片4，各配重片的两侧分别穿在左右两槽的伸缩杆上，在两个伸缩杆的上部均缠绕电磁线圈10、顶部则安装可拉动各配重片升降的滑轮9，在挡浪板的迎浪侧安装波高仪5和水位测量仪6，在挡浪板的顶部安装调控系统7，该调控系统与上述的波高仪和水位测量仪电连接并接收其发送的数据，与液压系统、压力机和滑轮电连接并控制其工作，蓄电池为减振结构内的各部件供电，蓄电池与电磁线圈之间的电源开关由调控系统控制。
在本实施例中，中间槽位于左右两槽间的中间位置。在压杆与伸缩杆相对的端部安装垫块11。电磁线圈的长度大于各配重片的高度之和。如图6所示，调控系统由信号处理器和控制器组成，其中信号处理器与波高仪和水位测量仪电连接并接收其发送的数据；控制器与液压系统、压力机和滑轮电连接并控制其工作，蓄电池与电磁线圈之间的电源开关由控制器控制。蓄电池与电磁线圈之间的电流大小由控制器控制。滑轮通过绳索控制配重片的升降，液压系统控制伸缩杆的伸缩，压力机控制压杆对伸缩杆的挤压和分离。
如图7所示，由减振结构与透空式防波堤主体共同构成了动力荷载作用下的双自由度体系。
下面在极端海况条件下对模型结构进行数值模拟以说明本实施例所公开减振结构的有效性：
透空式防波堤桩基采用0.5m×0.5m预应力混凝土方桩，长为35m,弹性模量为E1＝2.06×1011N/m2；挡浪板尺寸为4m×2.5m×0.2m，密度为2500kg/m3；伸缩杆弹性模量E2＝2.678×1011N/m2，截面尺寸为0.1m×0.1m；设极端海况的波浪参数为：波高H＝3m、周期T＝8s、波长71m、波数0.088、水深h＝10m。挡浪板水平波浪力可由波动压强计算公式求得：
代入数据得结构在最不利条件下Fp＝159.667kN；减振结构的许可位移设为Y2＝1.5m，由公式
依据上述参数建立数值模型，极端海况下在未安装减振结构时，数值模型如图8所示，透空式防波堤在波浪的作用下最大位移约为0.54m；安装减振结构后数值模型如图9所示，此时减振结构的振幅为1.5m，满足设计要求，且透空式防波堤在波浪作用下的最大位移不超过0.1m，由此说明，减振结构很好的保护了透空式防波堤主体，避免了极端海洋环境下透空式防波堤遭到振动破坏。
本实施例还公开了一种透空式防波堤的减振方法，使用上述的减振结构：
(1)当波浪超过设定海况时，监测系统测定外海水位和荷载频率θ，即通过波高仪测量波浪波高和周期参数，通过水位测量仪测量海面水位，并以电信号形式将数据传送至调控系统；
(2)调控系统的信号处理器对步骤(1)的数据进行分析，通过设定减振结构的水平位移限值Y2，根据波浪的荷载幅值FP和公式
(3)调控系统的控制器根据信号处理器的计算结果向左右两槽内的液压系统发出指令，由左右两槽内的液压系统分别控制其伸缩杆同步伸至高度l，控制器向左右两槽内伸缩杆顶部的滑轮发出指令，左右两槽内的滑轮同步将重量和为m2的配重片升至伸缩杆上部；
(4)如波浪降至设定海况以下，控制器向左右两槽内伸缩杆顶部的滑轮发出指令，左右两槽内的滑轮同步将配重片降回挡浪板顶部，调控系统的控制器向左右两槽内的液压系统发出指令，由左右两槽内的液压系统分别控制其伸缩杆同步缩回至初始位置；如波浪仍超过设定海况，则重复执行步骤(1)-(3)。
在步骤(3)中，控制器向中间槽内的压力机发出指令，压力机左右两侧的压杆分别穿过孔道将与其相对的伸缩杆抵紧在垫块上；在步骤(4)中，控制器向中间槽内的压力机发出指令，压力机左右两侧的压杆分别与其相对的伸缩杆脱离。
在步骤(3)中，控制器接通蓄电池与电磁线圈之间的电源开关，将各配重片吸附在伸缩杆上；在步骤(4)中，控制器断开蓄电池与电磁线圈之间的电源开关。
