一种超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器及其参数设计方法技术

本发明专利技术涉及桥梁减振技术领域，具体涉及一种超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器及其参数设计方法，该阻尼器包括：杠杆、质量块、弹簧和惯容机构。杠杆中部可转动地设置在待减振结构上，将杠杆划分为动力臂和阻力臂；质量块设置在动力臂上；弹簧一端与阻力臂连接，另一端与待减振结构连接；惯容机构包括：弧形齿条、转动轴、飞轮和齿轮；转动轴与动力臂转动连接；飞轮设于转动轴上；齿轮设于转动轴上，弧形齿条固定设置，并与齿轮配合，动力臂摆动时，齿轮相对于弧形齿条转动，并带动飞轮转动。本方案能够解决现有技术中采用超低频TMD方案会增加TMD弹簧的伸长量和用量，使得TMD安装空间受限，并大大增加TMD的使用成本和TMD自重对桥梁结构产生影响的问题。产生影响的问题。产生影响的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器及其参数设计方法


[0001]本专利技术涉及桥梁减振
，具体涉及一种超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器及其参数设计方法。

技术介绍

[0002]近些年来，随着高强轻质材料的使用、新工艺的出现和建造技术的提升，斜拉桥主跨已经突破1000m，悬索桥主跨正在突破2000m，但这类超大跨度桥梁体系轻柔纤细、阻尼小、自振频率低的特点也越来越明显，在脉动风、人、车辆和地震等荷载作用下，易发生各种形式的振动，特别是建设期和运营期的出现的抖振和涡激振动现象，严重影响桥梁的使用寿命和行车安全，振动控制已成为一个重要问题。
[0003]TMD可以有效地控制这类大跨桥梁结构的抖振和涡振，调谐质量阻尼器(TMD)主要包括弹簧、质量、阻尼三大构件。然而，在大跨桥梁箱梁内设置TMD，需要足够的净高以满足TMD弹簧的静力伸长与振动时的位移。
[0004]因此，传统的悬吊式TMD在自重下的大弹簧净伸长度(例如杨浦大桥一阶竖向弯曲频率为0.286Hz，则TMD弹簧的净伸长量超过3m)会使安装空间不满足，而且TMD的弹簧产生非线性会导致频率失调。频率
‑
弹簧伸长量的关系如图7所示。
[0005]此外，频率越低，TMD弹簧伸长量过大还会导致TMD的用量激增，如控制频率为0.3Hz的TMD弹簧伸长量为2.76m，弹簧用量为质量块比重的30％；控制频率0.2Hz的TMD弹簧伸长量为6.21m，弹簧用量为质量块比重的50％，控制频率0.1Hz的TMD弹簧伸长量为24.82m，弹簧用量为质量块比重的200％。不同行程下频率
‑
弹簧用量关系如图8所示。
[0006]因此，采用超低频TMD方案会增加TMD弹簧的伸长量和用量，使得TMD安装空间受限，并大大增加TMD的使用成本和TMD自重对桥梁结构产生影响的问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器及其参数设计方法，本方案能够解决现有技术中采用超低频TMD方案会增加TMD弹簧的伸长量和用量，使得TMD安装空间受限，并大大增加TMD的使用成本和TMD自重对桥梁结构产生影响的问题。
[0008]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0009]一方面，本专利技术提供一种超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器，包括：
[0010]杠杆，其中部可转动地设置在待减振结构上，将所述杠杆划分为动力臂和阻力臂；
[0011]质量块，其设置在所述动力臂上；
[0012]弹簧，其一端与所述阻力臂连接，另一端用于与待减振结构连接，以保持所述动力臂在无振动时水平；
[0013]惯容机构，其包括：
[0014]‑
转动轴，其与所述动力臂转动连接；
[0015]‑
飞轮，其设于所述转动轴上；
[0016]‑
齿轮，其设于所述转动轴上，
[0017]‑
固定设置的弧形齿条，其与所述齿轮配合，所述动力臂摆动时，所述齿轮相对于所述弧形齿条转动，并带动所述飞轮转动。
[0018]在一些可选的方案中，该超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器还包括支撑架，其用于与待减振结构连接，所述杠杆中部可转动地与所述支撑架连接。
[0019]在一些可选的方案中，所述杠杆为L型结构，所述L型结构的弯折处可转动地与所述支撑架连接，将所述L型结构划分为动力臂和阻力臂，无振动时，所述阻力臂处于竖直状态。
[0020]在一些可选的方案中，该超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器还包括安装板，其用于设置在待减振结构上，所述支撑架与所述安装板连接。
[0021]在一些可选的方案中，所述支撑架为门架，所述L型结构包括两根L型杆，两根所述L型杆分别设在所述门架的两侧，并且所述L型杆的弯折处可转动地与所述门架连接，将所述L型杆划分为动力杆和阻力杆。
[0022]在一些可选的方案中，所述转动轴的两端分别与两根所述L型杆的动力杆转动连接。
[0023]在一些可选的方案中，所述齿轮位于所述转动轴的正中间。
[0024]在一些可选的方案中，所述齿轮两侧间隔相等距离的所述转动轴上均设有飞轮。
[0025]另一方面，本专利技术还提供一种超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器参数设计方法，其特征在于，用于设计上述任一项所述的超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器，包括以下步骤：
[0026]基于被控频率，确定弹簧理论静伸长量；
[0027]根据安装空间确定最大弹簧实际静伸长量，动力臂最大长度和阻力臂最大长度；
[0028]根据最大弹簧实际静伸长量和弹簧理论静伸长量，确定最小伸长量放大系数；
[0029]根据惯性矩动力平衡方程，确定弹簧刚度放大系数；
[0030]根据最小伸长量放大系数和弹簧刚度放大系数，结合动力臂最大长度、阻力臂最大长度和静力平衡方程，确定质量块和惯容机构的设置位置以及惯容机构的设计参数。
[0031]在一些可选的方案中，所述根据惯性矩动力平衡方程，确定弹簧刚度放大系数，包括：
[0032]根据惯性矩动力平衡方程：
[0033][0033]得到
[0034]根据公式和计算得到圆频率
[0035]根据得到
[0036]根据得到弹簧刚度放大系数为
[0037]其中，M为质量块在运动过程承受自身质量，y2为质量块动位移，为质量块的加速度，为其惯性力；L2为质量块到杠杆的转动中心距离；m为齿轮组件的自身质量，惯性力力为齿轮组件加速度，β＝(m+b)/M为惯质系数，b为齿轮齿条惯容器的惯性质量，r1为齿轮的半径，r2为飞轮的半径；L1为转动轴到杠杆的转动中心距离；K为弹簧刚度；Δx为的弹簧伸长量；l为杠杆的连接处到杠杆的转动中心距离；取y1为齿轮组件的动位移。
[0038]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术通过杠杆原理，在待减振结构的被控频率f和质量块的质量m不变的情况下，将弹簧刚度应放大n2倍，可将弹簧理论伸静长量缩短为原来的1/n倍，并且弹簧的行程也可缩短为质量块行程的1/n倍，n为杠杆放大系数，便于弹簧的设计选型，保证弹簧的稳定性，同时降低整个阻尼器的高度，使其满足大跨度桥梁安装高度要求。通过在杠杆的动力臂上设置惯容机构，由于惯容机构的转动轴与动力臂转动连接；飞轮和齿轮均设于转动轴上，并相对于转动轴固定；且齿轮与固定设置的圆弧形齿条配合，质量块位移时，动力臂摆动带动齿轮位移，会使齿轮相对于动力臂转动，飞轮也开会转动，产生惯性质量。能够进一步提高放大系数，减小TMD中弹簧的用量，降低TMD的使用成本和TMD自重对桥梁结构的影响。结合杠杆原理，可将将弹簧刚度应放大倍，可将弹簧理论伸静长量缩短为原来的倍，并且弹簧的行程也可缩短为质量块行程的倍，便于弹簧的设计选型，保证弹簧的稳定性，同时降低整个阻尼器的高度，使其满足大跨度桥梁安装高度要求。
附图说明
[0039]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器，其特征在于，包括：杠杆(1)，其中部可转动地设置在待减振结构上，将所述杠杆(1)划分为动力臂(11)和阻力臂(12)；质量块(2)，其设置在所述动力臂(11)上；弹簧(3)，其一端与所述阻力臂(12)连接，另一端用于与待减振结构连接，以保持所述动力臂(11)在无振动时水平；惯容机构(4)，其包括：
‑
转动轴(41)，其与所述动力臂(11)转动连接；
‑
飞轮(44)，其设于所述转动轴(41)上；
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齿轮(42)，其设于所述转动轴(41)上，
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固定设置的弧形齿条(43)，其与所述齿轮(42)配合，所述动力臂(11)摆动时，所述齿轮(42)相对于所述弧形齿条(43)转动，并带动所述飞轮(44)转动。2.如权利要求1所述的超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器，其特征在于：还包括支撑架(5)，其用于与待减振结构连接，所述杠杆(1)中部可转动地与所述支撑架(5)连接。3.如权利要求2所述的超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器，其特征在于：所述杠杆(1)为L型结构，所述L型结构的弯折处可转动地与所述支撑架(5)连接，将所述L型结构划分为动力臂(11)和阻力臂(12)，无振动时，所述阻力臂(12)处于竖直状态。4.如权利要求3所述的超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器，其特征在于：还包括安装板(6)，其用于设置在待减振结构上，所述支撑架(5)与所述安装板(6)连接。5.如权利要求2所述的超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器，其特征在于：所述支撑架(5)为门架，所述L型结构包括两根L型杆，两根所述L型杆分别设在所述门架的两侧，并且所述L型杆的弯折处可转动地与所述门架连接，将所述L型杆划分为动力杆和阻力杆。6.如权利要求5所述的超低频调谐杠杆质量惯质阻尼器，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴肖波，王波，荆国强，柴小鹏，汪正兴，高宗余，马长飞，肖龙，王鼎鑫，戴青年，肖海珠，刘鹏飞，董京礼，李亚敏，
申请(专利权)人：中铁大桥科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：