一种摆式调谐质量阻尼装置和减振桥梁
技术领域
本申请涉及桥梁减振领域，特别涉及一种摆式调谐质量阻尼装置和减振桥梁。
背景技术
在大跨度桥梁施工过程中，结构的约束往往并不充分，极易在风荷载下产生振动问题，影响施工质量，甚至会引发安全事故。例如在大跨度刚构桥、斜拉桥最大悬臂状态时主梁极易发生风致振动。目前调谐质量阻尼器作为一种控制桥梁结构风致振动的有效手段被广泛采用。但是随着结构跨度的增加、轻质材料的应用，大跨度桥梁振动频率较低，一般小于0.2Hz。因此，设计低频的调谐质量阻尼器成为目前研究的热点。
相关技术中，专利号为CN103758028A，名称为“一种低频调谐质量装置”的发明专利，利用涡卷弹簧给质量块提供转动刚度，连接杆与转动惯量呈2次方关系，可以有效提供转动惯性质量，减小频率减振器的频率。
但是随着连接杆长度和质量块质量的增加，其阻尼器连接杆受到到的弯矩也随之增加，减振系统受力不合理，影响减振器的使用耐久性能，同时该减振器在连接杆上设置弹簧保证质量块不会冲击地面，但是弹簧的存在增加了减振器的刚度，不利于减振器实现超低频。另外该减振器只能用于桥梁结构的竖向减振，而大跨度桥梁悬臂施工时往往横向刚度较为薄弱，易出现横向摇摆振动。
发明内容
本申请实施例提供一种摆式调谐质量阻尼装置和减振桥梁，以解决相关技术中的减振器不适用于桥梁横向摆动的问题。
第一方面，提供了一种摆式调谐质量阻尼装置，其包括：
支座，其用于与桥梁主结构固定连接；
摆动架，其设有收容空间，所述摆动架通过转轴与所述支座可转动连接，所述转轴贯穿于所述收容空间内；
扭转弹簧，其套设于所述转轴上，所述扭转弹簧的两个弹簧脚分别固定于所述支座和所述摆动架上；
阻尼质量块，其与所述摆动架相连，所述阻尼质量块用于在桥梁主结构横向摇摆时提供惯性力和阻尼力，以吸收和耗散桥梁主结构的振动能量。
一些实施例中，所述阻尼质量块包括空箱体结构和填充于所述空箱体结构内的阻尼材料。
一些实施例中，所述阻尼材料为阻尼液或固体颗粒。
一些实施例中，该摆式调谐质量阻尼装置还包括连杆，所述连杆两端分别与所述摆动架和所述阻尼质量块连接。
一些实施例中，所述连杆的轴线过所述阻尼质量块的重心。
一些实施例中，该摆式调谐质量阻尼装置还包括滑轨，所述阻尼质量块设于所述滑轨上，并可沿所述滑轨的长度方向横向摆动。
一些实施例中，所述滑轨上开设有沿该滑轨长度方向设置的滑槽，所述滑槽内设有滚珠，所述阻尼质量块通过所述滚珠在所述滑槽内滑动。
一些实施例中，所述滑轨呈弧形，所述滑轨的圆心在所述转轴上，且所述滑轨的圆心角θd为：
式中：θk为桥梁主结构在最大悬臂下的转动角度，g为外力荷载与桥梁主结构的振动频率比，hd为该阻尼装置与桥梁主结构的振动频率比，ζd为该阻尼装置的阻尼比，j为虚数单位。
第二方面，提供了一种减振桥梁，其包括：
桥梁主结构；
上述所述的摆式调谐质量阻尼装置，所述支座与桥梁主结构固定连接。
一些实施例中，所述摆式调谐质量阻尼装置的频率f与桥梁主结构的横向摇摆的振动频率f'相等，且该摆式调谐质量阻尼装置的频率f 为：
其中：J为所述扭转弹簧的刚度，m为所述阻尼质量块的质量，r为所述阻尼质量块与所述转轴之间的距离。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：实现对桥梁主结构横向摇摆产生的振动进行减振的目的。
本申请实施例提供了一种摆式调谐质量阻尼装置，由于桥梁主结构在外力荷载(如风荷载)在作用下沿横桥向摇摆，由于频率调谐作用，桥梁主结构的振动转化为阻尼质量块的振动，阻尼质量块以转轴为轴心发生周期性摆动。摆动过程中转移至阻尼质量块的动能一部分转化为扭转弹簧的弹性势能存储起来维持阻尼装置的摆动，另一部分由阻尼质量块通过自身耗能机制耗散掉，因此本申请的摆式调谐质量阻尼装置可以实现将桥梁主结构的振动能量吸收并耗散的过程，从而达到减弱桥梁主结构的振动能量的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的摆式调谐质量阻尼装置的结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的左视图；
图4为图1的俯视图。
图中：1、支座；2、摆动架；20、收容空间；3、转轴；4、扭转弹簧；40、弹簧脚；5、连杆；6、阻尼质量块；7、滑轨；70、滑槽； 8、滚珠。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1：
参见图1和图2所示，本申请实施例1提供了一种摆式调谐质量阻尼装置，其包括支座1、摆动架2、扭转弹簧4和阻尼质量块6，支座1用于与桥梁主结构固定连接，桥梁主结构在外力荷载(如风荷载) 在作用下沿横桥向摇摆；摆动架2设有收容空间20，摆动架2通过转轴3与支座1可转动连接，转轴3贯穿于收容空间20内；扭转弹簧4 套设于转轴3上，扭转弹簧4的两个弹簧脚40分别固定于支座1和摆动架2上；阻尼质量块6与摆动架2相连，阻尼质量块6用于在桥梁主结构横向摇摆时绕转轴3横向摆动，提供惯性力和阻尼力，以吸收和消散桥梁主结构的振动能量。因此阻尼质量块6既能提供阻尼装置需要的惯性质量，也能起到阻尼耗能作用。
本申请实施例1的摆式调谐质量阻尼装置的减震原理为：
桥梁主结构在外力荷载(如风荷载)在作用下沿横桥向摇摆，由于频率调谐作用，桥梁主结构的振动转化为阻尼质量块6的振动，阻尼质量块6以转轴3为轴心发生周期性摆动。摆动过程中转移至阻尼质量块6的动能一部分转化为扭转弹簧4的弹性势能存储起来维持阻尼装置的摆动，另一部分由阻尼质量块6通过自身耗能机制耗散掉，以达到将桥梁主结构的振动能量吸收并耗散的过程，从而达到减弱桥梁主结构的振动能量的目的。
可选的，阻尼质量块6包括空箱体结构和填充于空箱体结构内的阻尼材料。空箱体结构与阻尼材料一起提供阻尼装置需要的惯性质量，阻尼材料起到阻尼耗能作用。
优选的，阻尼材料为阻尼液或固体颗粒。阻尼质量块6在摆动过程中，阻尼液依靠液体介质的黏滞阻力使运动机械的动能衰减。
进一步的，该摆式调谐质量阻尼装置还包括连杆5，连杆5两端分别与摆动架2和阻尼质量块6连接。该摆式调谐质量阻尼装置的频率f 为：
其中：J为扭转弹簧4的刚度，m为阻尼质量块6的质量，r为阻尼质量块6与转轴3之间的距离。
由上式可知，该摆式调谐质量阻尼装置的频率f与r的呈线性反比关系，增加r可以优先降低阻尼器的频率。因此通过增加连杆5以增大 r，从而有效放大阻尼装置的惯性质量，实现超低频振动控制。且不会出现因为连杆5长度的增加以及阻尼质量块6的质量，而导致连杆5 受到到弯矩也随之增加的问题。
更进一步的，连杆5的轴线过阻尼质量块6的重心。保证阻尼质量块6摆动过程中的平衡。
可选的，参见图3和图4所示，该摆式调谐质量阻尼装置还包括滑轨7，阻尼质量块6设于滑轨7上，并可沿滑轨7的长度方向横向摆动。阻尼质量块6在滑轨7上移动摩擦力更小，使得桥梁主结构的振动能量的消散更快速高效。
优选的，滑轨7上开设有沿该滑轨7长度方向设置的滑槽70，滑槽70内设有滚珠8，阻尼质量块6通过滚珠8滚动地设于滑槽70内。通过设置滑槽70和滚珠8，将阻尼质量块6与滑轨7之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，大大减小了摩擦力，进一步提高桥梁主结构的振动能量消散的速度。
优选的，滑轨7呈弧形，滑轨7的圆心在转轴3上，且滑轨7的圆心角θd为：
式中：θk为桥梁主结构在最大悬臂下的转动角度，g为外力荷载与桥梁主结构的振动频率比，hd为该阻尼装置与桥梁主结构的振动频率比，ζd为该阻尼装置的阻尼比，j为虚数单位。
滑轨7的弧长为滑轨7与转轴3之间的距离与滑轨7的圆心角θd的乘积，滑轨7的弧长满足当桥梁主结构在最大悬臂下的产生横向摆动时，阻尼质量块6可在滑轨7上摆动且不会滑出。
实施例2：
本申请实施例2提供了一种减振桥梁，其包括桥梁主结构和摆式调谐质量阻尼装置，摆式调谐质量阻尼装置的支座1与桥梁主结构固定连接。
本申请的实施例2的减振桥梁的减振原理为：
将本申请实施例2的摆式调谐质量阻尼装置振动频率调整至桥梁主结构的摆动频率附近，改变桥梁主结构的共振特性，以达到减震作用。桥梁主结构在外力荷载(如风荷载)在作用下沿横桥向摇摆，由于频率调谐作用，桥梁主结构的振动转化为阻尼质量块6的振动，阻尼质量块6以转轴3为轴心发生周期性摆动。摆动过程中转移至阻尼质量块6的动能一部分转化为扭转弹簧4的弹性势能存储起来维持阻尼装置的摆动，另一部分由阻尼质量块6通过自身耗能机制耗散掉，以达到将桥梁主结构的振动能量吸收并耗散的过程，从而达到减弱桥梁主结构的振动能量的目的。
优选的，摆式调谐质量阻尼装置的频率f与桥梁主结构的横向摇摆的振动频率f'相等，且该摆式调谐质量阻尼装置的频率f为：
其中：J为扭转弹簧4的刚度，m为阻尼质量块6的质量，r为阻尼质量块6与转轴3之间的距离。
该减振桥梁桥跨布置为(130+200+540+200+130)m，全长1200.0m。桥梁主结构采用带斜副桁的直桁截面，“N”形桁式，桁高13.5m，下弦桁宽15.0m，节间长度分为14.0m和12.0m两种类型。主桁上下弦杆均为箱形截面，上弦杆内高1600mm，内宽1200mm。下弦杆内高1600mm，内宽1200mm。腹杆采用箱形和H形截面，杆件内宽1200mm，高900mm。在边跨无拉索区采用钢桁结合梁结构，公路桥面采用预制混凝土桥面板，铁路采用正交异性钢桥面板。主塔采用H形桥塔，钢筋混凝土结构，均采用C50混凝土。塔顶高程+200.0，承台顶高程+5.0，承台以上塔高195m。塔柱顺桥向尺寸为9.0～14.4m，上塔柱、中塔柱横桥向尺寸为6.0m，下塔柱横桥向尺寸为6.0～10.0m。
通过对该桥最大悬臂状态下的动力特性分析可以知，其第1振型为桥梁主结构绕主塔横向摆动，振动频率为0.19Hz(周期5.15s)。
将本申请实施例2的摆式调谐质量阻尼装置的频率f调整至与桥梁主结构的横向摇摆的振动频率f'相等，且该摆式调谐质量阻尼装置的频率f为：
其中：J为扭转弹簧4的刚度，m为阻尼质量块6的质量，r为阻尼质量块6与转轴3之间的距离。
因此，通过设计J、m和r的值，可以调节阻尼装置的频率f，以使f为0.19Hz，达到减振的效果。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
