本发明专利技术公开了一种具有复合隔振底座和悬臂调谐梁的减振输电塔体系，其由输电塔主体、塔脚支座、混凝土基座、悬臂调谐梁和复合隔振底座组成。在风荷载或中小震作用下，悬臂调谐梁通过随输电塔主体产生共同振动，使调谐装置相对运动产生的惯性力反作用到主体结构上，此时悬臂调谐梁将会起到调谐减振的作用，从而控制塔身局部变形。当在较强风荷载或大震作用下时，输电塔结构发生较大水平位移将会带动复合隔振底座产生水平或竖向运动，此时金属橡胶/橡胶复合材料便会起到耗能减振的作用，使输电塔具有整体平移的特性，从而有效降低结构动力响应幅值。本发明专利技术属于输电线路减振控制和防灾减灾技术领域。减灾技术领域。减灾技术领域。
【技术实现步骤摘要】
一种具有复合隔振底座和悬臂调谐梁的减振输电塔体系
[0001]本专利技术具体涉及一种具有复合隔振底座和悬臂调谐梁的减振输电塔体系，能够确保输电塔在地震或飓风等动力作用下具有足够的耗能减振能力和安全性。本专利技术属于输电线路减振控制和防灾减灾
技术介绍
[0002]随着国民经济的快速发展，输电塔作为电力输送的重要载体被广泛使用，是国家的生命线工程，其运行状态直接关系到整个电网的安全稳定性。输电塔是典型的高耸结构，具有塔体高、结构复杂、杆件众多及柔性大等特点，在其使用过程中也容易受到各种外部荷载的影响，其中包括地震和环境荷载。在地震荷载及风荷载作用下，组成输电塔的部件钢材会产生较大变形甚至进入塑性阶段，出现局部或整体的破坏，安全性显著降低。灾后检查结构损伤所花的时间和成本可能非常大。由于传统输电塔是镂空钢结构，常用的减隔振方法和耗能装置难以直接进行安装和应用，因此目前关于输电塔抗倾覆和稳定的研究较多但有关减隔振控制的研究和应用较少，亟需重视和解决输电塔遭遇地震或强风时的减隔振问题和技术研发。
[0003]耗能减振技术的基本原理是在主体结构上安装附加子结构或者耗能装置，使振动能量在原结构与子结构之间重新分配，以减小主体结构动力响应，达到减振的目的。在耗能减振技术中，调谐减振技术具有机理明确和实施简单等特点，其基本原理是使主体结构在外激励作用下产生振动时带动具有相同或相近振动周期的附属结构(调谐装置)共同振动，而调谐装置相对运动产生的惯性力反作用到结构上，进行调谐控制，对结构的振动产生抑制，从而减小主体结构的动力响应。调谐质量阻尼器是结构振动控制中应用最早的结构被动控制装置之一，当调谐质量阻尼器的自振频率与主体结构第一阶自振频率一致时，振动控制效果最佳。然而，传统调谐质量阻尼器存在着对主结构的固有频率敏感、需要支撑和占用空间大等缺点，不适宜直接安装在输电塔上。
[0004]针对传统调谐质量阻尼器的不足，可以根据调谐减振的机理提出新型的阻尼器或耗能装置。例如，悬臂梁结构或端部带有质量块的悬臂梁结构具有明确的动力特性(自振周期及振型)和振动耗能能力，因此可采用类似形式的装置实现调谐减振功能。当主体结构在外激励作用下产生振动时，可带动具有相近振动周期的悬臂结构共同振动，悬臂结构相对运动产生的惯性力反作用到结构上，并进行调谐控制，对结构的振动产生抑制，从而可以减小主体结构的振动反应。通过调节悬臂梁的几何特性与集中质量块的比例关系，便可将其固有频率与输电塔主体结构的相关水平方向对应的第一阶频率保持相近或一致。悬臂调谐质量块的质量和自振频率易于调整，其减振效果较为明显，可使输电塔的减振性能和稳定性都得到提高。
[0005]同时，现有研究表明在结构具有足够抗倾覆能力的前提下将其从地震作用下隔离出来，产生主体平动，将有效降低结构的变形和动力响应，这也是结构隔振的机理。在传统的隔振装置中，铅芯橡胶垫可以发生显著的水平变形从而确保上部的主体结构发生整体平
动，螺栓钢弹簧隔震装置可以隔离压缩、拉伸和剪切载荷。虽然以上隔振装置控制常见工程结构的动力响应非常有效，但对于强烈地震下的高频振动和塔高较高的输电塔结构是不适合的，存在控制多维水平变形较差的现象和发生倾覆的风险。因此需要提供一种新颖且可靠的隔震装置，以提高输电塔的安全性。
[0006]本专利技术提出的复合隔振底座便是基于将传统隔振系统中间插入附加质量的设计理念提出的。在保证整体上复合隔振底座的刚度与传统橡胶隔振装置相等的条件下，通过在上、下金属橡胶层之间夹持中间质量，构成含中间质量的“三明治”式复合式隔振装置，使装置的传递率大大减小以此达到减隔振的良好效果。经理论分析和模拟分析可发现，传统橡胶隔振装置的传递率远小于主体结构自振周期平方的倒数，而复合隔振底座的传递率远小于主体结构自振周期四次方的倒数，可见后者减隔振效果明显优于前者。同时，采用金属橡胶/橡胶复合材料来替代传统橡胶材料，在保证减隔振装置具有良好的阻尼性能的条件下，可使其具有更好的环境适用能力，更适用于复杂激励荷载情况。这种由金属橡胶/橡胶复合材料与钢板叠合的多层复合式底座，在动力作用下可确保输电塔具有整体平移的特性，使其动力响应幅值得到有效降低。
[0007]基于以上思路，通过在输电塔不同方位的关键部位上安装调谐悬臂梁，并在塔脚底部安装复合隔振底座，可以形成一种新型的具有双重减振功能的结构体系。可以利用新型输电塔体系来抵御突发的地震作用和复杂的环境荷载输入，尽可能的提升其安全性和实用性，减少电网损失和经济损失。
技术实现思路
[0008]为解决上述问题，本专利技术提出一种具有复合隔振底座和悬臂调谐梁的减振输电塔体系。在风荷载或中小震作用下，端部带有质量块的悬臂梁结构可随输电塔主体结构产生共同振动，同时将相对运动产生的惯性力反作用到主体结构上进行调谐控制，进一步减小塔身局部变形。因球形结构有着在表面积相同的条件下，其体积最大的特性，因此集中质量块选用球形结构且与悬臂梁焊接为一体。当输电塔处在较强风荷载或大震作用下时，在水平方向结构可能出现较大位移，位于塔脚之下的复合隔振底座便会具有良好的减隔振作用。对于金属橡胶/橡胶复合材料与钢板叠合的多层复合式隔振，采用了由上、下两层金属橡胶夹持中间质量的复合式隔振形式，大大提高了结构在高频振动下的隔振效果，而金属橡胶/橡胶复合材料除也能消耗部分能量外，还可限制整个输电塔结构发生过大水平位移，并使结构在解除荷载之后得以复位，避免发生倾覆。该新型输电塔体系能够提升输电塔结构的使用寿命和可靠性，提高结构抗震能力并降低全寿命维护成本。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：
[0010]具有复合隔振底座和悬臂调谐梁的减振输电塔体系，包含输电塔主体(1)、塔脚支座(2)、混凝土基座(3)、悬臂调谐梁(4)和复合隔振底座(5)、地表(6)、L型悬臂梁(7)、球形集中质量块(8)、输电塔横梁(9)、螺栓(10)、上螺栓(15)、上金属板(16)、上金属橡胶层(17)、中间质量(18)、下金属橡胶层(19)、外围金属橡胶层(20)、外围金属层(21)、下螺栓(22)、上连接孔(23)、下连接孔(24)。
[0011]悬臂调谐梁(4)由球形集中质量块(8)和L型悬臂梁(7)组成。L型悬臂梁长边(14)通过焊接与球形集中质量块(8)结合成为一个整体，之后将L型悬臂梁(7)与输电塔横梁(9)
连接。L型悬臂梁短边(12)应与输电塔横梁上表面(11)紧贴，通过螺栓(10)将其连接形成固接形式。同样，L型悬臂梁长边(14)与输电塔横梁侧表面(13)之间通过螺栓(10)连接，形成固结形式，从而最终形成悬臂调谐梁(4)，随输电塔主体结构的振动而进行调谐减震控制。
[0012]复合隔振底座(5)由上金属板(16)、上金属橡胶层(17)、中间质量(18)、下金属橡胶层(19)、外围金属橡胶层(20)、外围金属层(21)组成。复合隔振底座(5)为一种圆柱形装置，其内部所有部件的中心均在同一竖向圆心轴线上。在复合隔振底座(5)内部，中间质量(18)与外围本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有复合隔振底座和悬臂调谐梁的减振输电塔体系，其特征在于：包含输电塔主体(1)、塔脚支座(2)、混凝土基座(3)、悬臂调谐梁(4)和复合隔振底座(5)；悬臂调谐梁(4)由球形集中质量块(8)和L型悬臂梁(7)组成；L型悬臂梁长边(14)通过焊接与球形集中质量块(8)结合成为一个整体，之后将L型悬臂梁(7)与输电塔横梁(9)连接；L型悬臂梁短边(12)与输电塔横梁上表面(11)紧贴，通过螺栓(10)将其连接形成固接形式；L型悬臂梁长边(14)与输电塔横梁侧表面(13)之间通过螺栓(10)连接并形成固结，形成悬臂调谐梁(4)，随输电塔主体结构的振动而进行调谐减震控制；复合隔振底座(5)由上金属板(16)、上金属橡胶层(17)、中间质量(18)、下金属橡胶层(19)、外围金属橡胶层(20)、外围金属层(21)组成；复合隔振底座(5)为圆柱形，内部所有部件的中心均在同一竖向圆心轴线上；在复合隔振底座(5)内部，中间质量(18)与外围金属层(21)之间夹持着下金属橡胶层(19)；中间质量(18)与上金属板(16)夹持着上金属橡胶层(17)；由上金属橡胶层(17)和下金属橡胶层(19)夹持中间质量(18)的多层叠加式复合隔振形式；在上金属板(16)、上金属橡胶层(17)、中间质量(18)和下金属橡胶层(19)外层设有外围金属橡胶层(20)和外围金属层(21)，外围金属橡胶层(20)位于外围金属层(21)内部。2.根据权利要求1所述的一种具有复合隔振底座和悬臂调谐梁的减振输电塔体系，其特征在于：当风荷载较小时或在小震及中震作用下，悬臂调谐梁(4)将发挥调谐减振的作用，悬臂调谐梁(4)将随输电塔主体(1)产生共同振动，使调谐装置相对运动产生的惯性力反作用到主体结构上，从而减小主体结构的动力响应；在强风荷载或大震作用下，输电塔结构发生较大水平位移并带动复合隔振底座(5)产生水平及竖向运动；外围金属橡胶层(20)承受水平方向的激励作用，充分发挥耗能和支撑作用，震后可自动复位；上金属橡胶层(17)和下金属橡胶层(19)承受竖直方向的激励作用，输电塔底座被提升或下降，上、下水平金属橡胶层通过挤压来消耗振动能量；在悬臂调谐梁(4)与复合隔振底座(5)的相互配合下降低输电塔主体结构的动力响应并提高结构整体的抗振性能和安全性；为保证复合隔振底座(5)具有抗倾覆能力，外围金属层(21)上部进行缩口处理，缩口半径小于上金属板(16)的外半径，从而使上金属板(16)、上金属橡胶层(17)、中间质量(18)和下金属橡胶层(19)包裹在外围金属层(21)内部，外围金属层(21)缩口处与上金属板(16)之间设有金属橡胶层，保证消耗振动能量后自动复位。3.根据权利要求1或2所述的一种具有复合隔振底座和悬臂调谐梁的减振输电塔体系，其特征在于：悬臂调谐梁(4)的质量占输电塔总质量的5％～10％，布置于输电塔的中高部位，在同一水平高度上应平行对称布置一组悬臂调谐梁(4)，且在两个水平方向上均应布置悬臂调谐梁(4...
【专利技术属性】
技术研发人员：何浩祥，张耀源，田书宇，张腾，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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