一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统技术方案

本发明专利技术涉及结构工程技术领域，尤其是涉及一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统，用于控制拉索主体的振动，包括立柱、横梁、负刚度装置、阻尼器和连接杆，所述横梁设置于立柱上方，远离立柱的顶端设置有第一孔洞，所述阻尼器设置于横梁远离立柱的一侧，并与拉索主体相连接，所述阻尼器沿拉索主体所在竖直平面对称设置；所述负刚度装置设置于内部中空的横梁内部，并通过连接杆与拉索主体相连接。本发明专利技术的一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统，在拉索发生面内面外两方向振动时，均提供负刚度和阻尼效果。均提供负刚度和阻尼效果。均提供负刚度和阻尼效果。

【技术实现步骤摘要】
一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统


[0001]本专利技术涉及结构工程
，尤其是涉及一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统。

技术介绍

[0002]拉索在大跨缆索承重桥梁中有重要应用，例如斜拉桥、悬索桥、中下承式拱桥等。随着桥梁跨度的增加，拉索的长度增加而且在桥梁中使用的数量也增加，例如在建的世界第一大跨径的斜拉桥
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常泰长江公铁大桥的最长拉索长度达到630m，在建最大跨径三塔斜拉桥
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巢马城际铁路马鞍山公铁两用长江大桥的斜拉索最长已达到650m，全桥使用拉索超过500根。拉索细长，轴向受力大、刚度大，但是其横向刚度小，容易出现横向的振动，包括面内(索所在的竖直平面)和面外(垂直拉索轴线的水平方面)两个方向的振动。索两个方向振动的基频低且分布密集，同时其自身阻尼低，易在风、风雨、车辆等荷载作用下，出现多种形态和机理的振动。桥梁拉索的振动轻则引起行人的不安，影响桥梁正常运行；拉索长期振动易导致防护结构包括索护套、将军帽、防水密封等破坏，加速钢丝的腐蚀和疲劳，最终可能导致拉/吊索的突发断裂失效，危及整座桥梁的安全。
[0003]随着在役缆索结构数量的增加，拉索长度的继续增大，同时风环境的恶化，一些桥梁服役年限的增加，拉索的振动控制是桥梁建设和安全运营的关键难题。现有长拉索均会安装阻尼器提升拉索的阻尼实现振动控制。多种类型的阻尼器已经在索结构减振中得到应用，包括粘性剪切阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器、橡胶阻尼器、电涡流阻尼器和磁流变阻尼器等。这些阻尼器的阻尼效果与其安装位置与相近索锚固点的距离与索总长之比成正比，随着索长的增大，阻尼器的安装位置需要加高方能满足阻尼需求；同时目前的斜拉桥拉索较多采用梁上锚拉板的锚固结构，进一步增加了阻尼器的安装高度，土耳其某斜拉
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悬索混合体系桥梁拉索阻尼器的安装高度已经超过了7m，过大的安装高度带来安装、检测和维护的一系列难题，同时影响桥梁的美观。因此，研发提升阻尼器的阻尼效果，克服阻尼器安装高度对阻尼效果的限制具有重要工程意义。
[0004]工程结构中的拉索面内外振动控制仍是亟需解决的难题，现有阻尼器已经得到应用，但存在安装高度大、长索阻尼提升不足的问题，尚缺乏有效实用的拉索阻尼增强技术。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统，为拉索面内外振动控制提供一种新方案，有效降低阻尼器安装高度。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术提供一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统，用于控制拉索主体(也简称“拉索”或“索”)的振动，包括立柱、横梁、负刚度装置、阻尼器和连接杆，
[0008]所述负刚度装置设置于内部中空的横梁内部，所述横梁设置于立柱上方，远离立柱的顶端设置有第一孔洞，所述阻尼器设置于横梁远离立柱的一侧，并与拉索主体相连接，
所述阻尼器沿拉索主体所在竖直平面对称设置；
[0009]所述负刚度装置包括第一端板、第二端板、第一导管和第二导管、放大杠杆、固定板、压缩弹簧和导向管；所述第一导管的一个端部与第一端板相连接，另一个端部嵌套在第二导管外侧，第二导管远离第一导管的端部与放大杠杆的一个端部相连接，放大杠杆远离第二导管的端部与第二端板相连接；
[0010]所述固定板设置于第二导管靠近放大杠杆的一端，所述导向管套设于第一导管上，所述压缩弹簧套设于第一导管和第二导管上，一端与固定板相连接，另一端与导向管相连接；所述第一端板和第二端板与横梁内壁相连接；
[0011]所述放大杠杆上设置有中间孔，所述连接杆穿过第一孔洞通过中间孔与放大杠杆相连接，所述连接杆远离放大杠杆的端部与拉索主体相连接。
[0012]在本专利技术的一个实施方式中，放大杠杆与第二端板通过球铰相连接，第一导管与第一端板通过铰耳相连接，第二导管与放大杠杆通过球铰相连接，放大杠杆与第二端板通过球铰相连接。
[0013]本专利技术中，拉索主体未振动时，连接杆沿其长度方向的中轴线与放大杠杆沿其长度方向的中轴线垂直；
[0014]拉索主体在风等动力荷载作用下发生竖直方向(面内)和水平垂直于索所在竖直平面方向(面外)振动时，通过连接杆带动放大杠杆绕第二端板上的球铰转动，同时压缩弹簧绕第一端板上的球铰转动，压缩弹簧内部的预压力产生垂直于横梁轴线方向的推力，产生推动拉索主体继续运动的力，实现负刚度效果；
[0015]拉索主体发生面内和面外振动时，带动阻尼器伸长或者压缩，产生阻尼力。
[0016]本专利技术中，负刚度装置设置在支撑阻尼器的横梁内部，形成一体；负刚度装置与阻尼器形成并联系统，提升拉索整体振动的阻尼，实现振动控制。
[0017]在本专利技术的一个实施方式中，导向管靠近固定板时，弹簧受压缩短；通过调节第一端板和第二端板之间的间距，可以调节弹簧的长度和初始压力。
[0018]在本专利技术的一个实施方式中，所述拉索主体外表面设置有索夹，索夹包括两个半索夹，两个半索夹通过螺栓套件固定。
[0019]在本专利技术的一个实施方式中，所述阻尼器与半索夹通过球铰相连接；所述连接杆通过球铰与半索夹相连接；所述阻尼器通过球铰与横梁相连接。
[0020]在本专利技术的一个实施方式中，所述第一端板外表面设置有第一螺纹；所述横梁与第一端板连接处，其内壁设置有与第一螺纹相匹配的第二螺纹。
[0021]在本专利技术的一个实施方式中，第一端板依靠第一螺纹与第二螺纹相配合，旋入横梁并与横梁固定连接。
[0022]在本专利技术的一个实施方式中，所述横梁内还设置有限位橡胶环，所述限位橡胶环外表面与横梁内壁相连接，并套设于固定板外侧；
[0023]所述限位橡胶环用于限制固定板在垂直于其轴线方向的位移。
[0024]在本专利技术的一个实施方式中，所述横梁沿其长度方向的中轴线与立柱沿其高度方向的中轴线垂直，与拉索主体所在竖直面垂直。
[0025]在本专利技术的一个实施方式中，所述立柱底部与桥梁的主梁或者其他结构固定连接，支撑横梁。
[0026]在本专利技术的一个实施方式中，所述阻尼器选自粘滞阻尼器、黏性剪切阻尼器或摩擦阻尼器中的一种。
[0027]在本专利技术的一个实施方式中，所述阻尼器的中轴线与拉索主体中轴线垂直，与拉索主体所在的竖直平面的夹角为10
°
至80
°
。
[0028]在本专利技术的一个实施方式中，拉索主体面内振动时负刚度装置的刚度系数k
ns
(单位：N/m)按下式近似确定
[0029][0030]其中f0为压缩弹簧初始的压力(单位：N)，l
s
为压缩弹簧位置在初始位置时的长度(单位：m)，l为放大杠杆的长度(单位：m)，l1为连接杆与放大杠杆连接点距离放大杠杆与第二端板连接点之间的距离(单位：m)；
[0031]考虑连接杆的刚度系数为k时，负刚度装置对索面内振动的负刚度系数为...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统，用于控制拉索主体(5)的振动，其特征在于，包括立柱(1)、横梁(2)、负刚度装置、阻尼器(3)和连接杆(4)，所述负刚度装置设置于内部中空的横梁(2)内部，所述横梁(2)设置于立柱(1)上方，远离立柱(1)的顶端设置有第一孔洞(17)，所述阻尼器(3)设置于横梁(2)远离立柱(1)的一侧，并与拉索主体(5)相连接，所述阻尼器(3)沿拉索主体(5)所在竖直平面对称设置；所述负刚度装置包括第一端板(6)、第二端板(7)、第一导管(8)和第二导管(9)、放大杠杆(10)、固定板(11)、压缩弹簧(13)和导向管(12)；所述第一导管(8)的一个端部与第一端板(6)相连接，另一个端部嵌套在第二导管(9)外侧，第二导管(9)远离第一导管(8)的端部与放大杠杆(10)的一个端部相连接，放大杠杆(10)远离第二导管(9)的端部与第二端板(7)相连接；所述固定板(11)设置于第二导管(9)靠近放大杠杆(10)的一端，所述导向管(12)套设于第一导管(8)上，所述压缩弹簧(13)套设于第一导管(8)和第二导管(9)上，一端与固定板(11)相连接，另一端与导向管(12)相连接；所述第一端板(6)和第二端板(7)与横梁(2)内壁相连接；所述放大杠杆(10)上设置有中间孔(18)，所述连接杆(4)穿过第一孔洞(17)通过中间孔(18)与放大杠杆(10)相连接，所述连接杆(4)远离放大杠杆(10)的端部与拉索主体(5)相连接。2.根据权利要求1所述的一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述拉索主体(5)外表面设置有索夹，索夹包括两个半索夹(15)，两个半索夹(15)通过螺栓套件(16)固定。3.根据权利要求2所述的一种拉索面内外振动控制的内置负刚度阻尼系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈林，孙利民，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：