質量移位式橋梁扭轉振動減振器的製作方法

2023-06-01 01:08:01 1

本發明屬於橋梁減振技術領域，具體涉及一種質量移位式橋梁扭轉振動減振器。

背景技術：

隨著橋梁跨度的增大，其基頻越來越小。橋梁在大風的作用下，會發生大幅振動，危及橋梁安全，其中尤以橋梁扭轉危害最大，曾有多座橋梁因扭轉而塌毀。因為，在大風的作用下，橋梁發生危險的扭轉振動即橋梁顫振時，根據橋梁顫振理論，當主梁(一般為鋼箱梁)繞其形心發生逆時針扭轉時，風對主梁就有一個逆時針扭矩的作用力(由主梁表面風壓作用力向主梁形心簡化得到)；當主梁繞其形心發生順時針扭轉時，風對主梁就有一個順時針扭矩的作用力；主梁在發生扭轉振動的過程中，風對主梁這樣一個扭矩作用，使得主梁振動的振幅越來越大，最終可能導致橋梁倒塌。

現有橋梁減振技術常採用調頻質量阻尼器(Tune mass damper，簡稱TMD)進行減振，依靠在橋梁內部設置質量塊，並由彈簧和阻尼器支承質量塊，形成一動力系統，即TMD，當其頻率與橋梁振動的頻率一致時，引發TMD大幅振動，TMD對橋梁的作用力中周期變化的動力與風對橋梁的作用的動力反相，達到減小橋梁振動的目的。TMD對橋梁的動力幅值為Aω2，其中A為質量塊振幅(A受多種因素制約基本保持不變)，ω為振動頻率。隨著橋梁振動頻率的減小，TMD對橋梁減振的效果顯著下降。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術中存在的上述缺陷，提供一種隨著橋梁振動頻率的降低，其對橋梁可提供更大力矩因而減振效果更好的質量移位式橋梁扭轉振動減振器。

本發明的目的是通過如下的技術方案來實現的：該質量移位式橋梁扭轉振動減振器，它包括水平安裝於橋梁底板上的主導軌；主導軌兩端對稱活動搭接有左導軌和右導軌，左導軌和右導軌的外側端分別固連有左擋板和右擋板，左導軌與左擋板、右導軌與右擋板連接成直角L形；左導軌和右導軌的中間底部分別通過左鉸支座和右鉸支座與所述橋梁底板鉸接，左導軌和右導軌的外側端底部與所述橋梁底板之間分別設有左彈簧和右彈簧，左彈簧和右彈簧外側端的所述橋梁底板上還分別設有左立柱和右立柱；所述主導軌、左導軌和右導軌的上面設有相同形狀的凹槽，凹槽內放置一重力球；未工作時，所述重力球位於主導軌上，左導軌和右導軌分別在左彈簧和右彈簧的彈力作用下，對稱傾斜於水平面並與主導軌兩端活動搭接；工作時，當重力球滾動到左導軌外側端部的左擋板處或右導軌外側端部的右擋板處時，左導軌或右導軌向上翹起而脫離主導軌，此時，左導軌或右導軌平行於水平面，左擋板底部與左立柱頂面或右擋板底部與右立柱頂面正好相抵。

具體的，所述主導軌通過其底部左邊的鉸支座和其底部右邊的可動鉸支座安裝於所述橋梁底板上。

為了緩解重力球滾動到左擋板或右擋板時對其內側面的撞擊力，所述左擋板和右擋板的內側面分別設有左緩衝片和右緩衝片。

為了緩解左導軌或右導軌在重力球作用下向上翹起時，左擋板或右擋板底部對左立柱和右立柱頂部的撞擊力，所述左立柱和右立柱的頂面分別設有左緩衝墊和右緩衝墊。

本發明的工作原理及工作過程如下：

本發明的減振器對稱安裝於鋼箱梁底板上，跟隨鋼箱梁一起運動。由上述可知，本發明的減振器主要部件包括：簡支的主導軌，可轉動的左導軌、右導軌，重力球。假定主梁扭轉角度較小，以主梁振動一個周期來描述減振器的工作原理。

當主梁由水平位置發生順時針轉動時，主導軌左端升高，右端降低，重力球向右端滾動。此時重力球對主梁有順時針力矩M＝mgs，但由於其距主導軌中心點(與鋼箱梁形心在同一豎直線上)距離s較小，重力球重力mg保持恆定，故其加大主梁轉動作用，但力矩較小，並隨著時間的增大而增大。

當主梁轉動達到最大角度並開始逆時針轉動時，主導軌仍然左端高，右端低，重力球繼續向右端滾動。此時重力球對主梁依然是順時針力矩，故其有阻礙主梁逆時針轉動的作用，並且力矩較大，並隨著時間的增大而增大。此時重力球的滾動速度繼續增大，並衝上右導軌，當其通過右導軌的右鉸支座時，導致右導軌順時針轉動，壓縮右彈簧，右導軌的轉動最後因右立柱的阻擋而停止。重力球也因右擋板和右緩衝片的阻擋而停止滾動，此時重力球對主梁順時針作用的力矩最大，即對主梁此時逆時針轉動的阻礙作用最強。

當主梁逆時針轉動達到水平位置並繼續轉動時，此時右導軌和主導軌變為左端低，右端高，重力球開始向左端滾動。當右彈簧對右導軌作用的力矩大於重力球對右導軌作用的力矩時，右導軌逆時針轉動，並與主導軌連接，使重力球從右導軌上快速滾下。此時重力球對主梁依然是順時針力矩，故其有阻礙主梁逆時針轉動作用，並且力矩較大，並隨著時間的增大而減小。

當主梁逆時針轉動從水平位置向最大轉角轉動的過程中，重力球從右導軌上快速滾下，首先通過主導軌與右導軌的連接處，並繼續向左端滾動。此時重力球對主梁依然是順時針力矩，故其有阻礙主梁逆時針轉動作用，並隨著時間的增大而減小。當重力球通過主導軌中點繼續向左端滾動時，此時重力球對主梁是逆時針力矩，故其有促進主梁逆時針轉動作用，但力矩小，其隨著時間的增大而增大。

當主梁轉動達到最大角度並開始順時針轉動時，主導軌仍然左端低，右端高，重力球繼續向左端滾動。此時重力球對主梁依然是逆時針力矩，故其有阻礙主梁順時針轉動作用，並且力矩較大，並隨著時間的增大而增大。此時重力球的滾動速度繼續增大，並衝上左導軌，當其通過左導軌的左鉸支座時，導致左導軌逆時針轉動，壓縮左彈簧，左導軌的轉動最後因左立柱的阻擋而停止。重力球也因左擋板和左緩衝片的阻擋而停止滾動，此時重力球對主梁逆時針作用的力矩最大，即對主梁此時順時針轉動的阻礙作用最強。

當主梁順時針轉動達到水平位置時，重力球開始向右運動，其對主梁轉動的影響與其從右向左運動的作用原理一致。

綜上所述，本發明利用橋梁扭轉振動本身的能量，驅動重力球在主梁內部橫向移動，利用重力球的重力提供一阻礙橋梁振動的力矩，從而抑制了橋梁的扭轉振動，提高了橋梁的安全性。

本發明的創新點主要體現如下：

(1)採用橋梁扭轉振動本身的能量，驅動重力球在主梁內部橫向移動，利用重力球的重力提供一阻礙橋梁振動的力矩，抑制橋梁扭轉振動。

(2)重力球由主梁振動的能量驅動，其頻率總與主梁振動一致，當主梁振動頻率發生變化時，減振效果不受影響。

(3)現有的TMD減振耗能能力隨結構振動頻率的降低，減振耗能效果降低，而本發明減振器隨橋梁振動頻率的降低，重力球移動的距離加長，其為橋梁結構振動提供的阻礙力矩加大，因此，其減振效果隨結構振動頻率的降低而提高。

(4)簡支梁設計的主導軌，在重力球重力作用下發生彎曲，保證在橋梁未發生扭轉振動時，重力球靜止於主導軌中央，其對主梁扭轉為零。

(5)主導軌兩端的左、右導軌傾斜於水平面安裝，既可以將重力球的動能轉化為勢能，又可以將勢能轉化為動能，驅動重力球的快速運動，增大其運動距離，使得重力球對主梁扭轉振動提供更大的阻礙力矩。

(6)採用圓形重力球減小摩擦，保證重力球的快速移動。

(7)凹槽導軌控制重力球的運動軌跡。

附圖說明

圖1是本發明實施例的立面結構示意圖。

圖2是圖1中的A-A剖視圖。

圖3是本發明實施例工作時的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。

參見圖1、圖2，本實施例包括水平安裝於橋梁底板6上的主導軌11，主導軌11通過其底部左邊的鉸支座9和其底部右邊的可動鉸支座12安裝於橋梁底板6上(鉸支座和可動鉸支座為本領域常用連接部件，在此不再詳述其結構)。主導軌11的兩端對稱活動搭接有左導軌8和右導軌13；左導軌8的外側左端固連有左擋板1，右導軌13的外側右端固連有右擋板19，從圖1中可見，左導軌8與左擋板1、右導軌13與右擋板19連接成直角L形；左導軌8的右端部和右導軌13的左端部微微向上翹起並分別與主導軌11的左、右端部形成止口搭接，且左導軌8右端和右導軌13左端只能相對於主導軌11作向上的脫離運動。左擋板1和右擋板19的內側面分別設有左緩衝片2和右緩衝片18。左導軌8和右導軌13的中間底部分別通過左鉸支座7和右鉸支座14與橋梁底板6鉸接，左導軌8和右導軌13的外側端底部與橋梁底板6之間分別設有左彈簧3和右彈簧17，左彈簧3和右彈簧17外側端的橋梁底板6上還分別設有左立柱5和右立柱15；左立柱5和右立柱15的頂面分別設有左緩衝墊4和右緩衝墊16。從圖2中可見，主導軌11的上面設有凹槽，重力球10放置於凹槽內；並且，左導軌8和右導軌13的上面設有與主導軌11上面相同形狀的凹槽。未工作時，重力球10位於主導軌11上，左導軌8和右導軌13分別在左彈簧3和右彈簧17的彈力作用下，對稱傾斜於水平面並與主導軌11兩端活動搭接，如圖1所示。工作時，當重力球10滾動到左導軌8外側左端部的左擋板1處或右導軌13外側右端部的右擋板19處時，左導軌8或右導軌13向上翹起而脫離主導軌11，此時，左導軌8或右導軌13平行於水平面，左擋板1底部與左立柱5頂面或右擋板19底部與右立柱15頂面正好相抵，如圖3所示。

本發明上述實施例還有可替代的方案，比如，將重力球改為輪；將導軌改為氣墊方式減小摩擦後，將球改為滑塊等。因此，以上所述僅為本發明的較佳或較簡實施例，並不用於限制本發明，凡在本發明構思和原理之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。