一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置及方法

本发明涉及桥梁减振，具体涉及一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置及方法。

背景技术：

1、随着科技的进步和社会的发展，桥梁已成为现代城市和交通发展的重要组成部分。大跨度桥梁在众多桥梁类型中具有显著的优势，其主梁跨度大、通航能力强，且多采用轻质高强的材料，导致结构质量轻，柔度大，阻尼弱。然而，大跨度桥梁在风荷载作用下容易产生涡激振动，这不仅影响桥梁的使用性能，还可能对结构造成破坏，因此，需要采取有效的控制措施来解决这一问题。

2、现有的大跨度桥梁主梁涡振控制方法主要包括气动措施和机械措施两类。其中气动措施是控制涡振常用的方法，即优化断面气动外形，如设置导流板、抑流板等，提高断面气动性能；机械措施主要是在桥梁主梁梁体内部设置调谐质量阻尼器，通过设计阻尼器频率与主梁频率调谐，吸收主梁的振动能量，为主梁提供附加阻尼，来实现减振耗能的目的。

3、上述涡振控制方法中，由于桥梁主梁断面复杂，风场环境多变，气动措施仅在特定风环境下具有抑振效果，无法保证气动措施对主梁涡激振动抑振具有普适性。大跨度桥梁主梁的涡振一般具有超低频的特点，如2020年4月虎门大桥发生了0.23hz的低频涡振，2020年5月鹦鹉洲长江大桥发生了0.24hz低频涡振，2020年6月舟山跨海大桥西堠门大桥发生了频率为0.32hz的涡激振动。而采用调谐质量阻尼器，在超低频条件下，调谐质量阻尼器呈现弹簧静力伸长量大，阻尼器尺寸需求高的特点，在梁内空间的制约下，阻尼器的行程难以满足减振需求，导致其在实际应用中受到限制。

4、为了避免调谐质量阻尼器弹簧静力伸长量过大的问题，众多研究者就惯质阻尼器进行了超低频调谐质量阻尼器进行了研究。如专利号为zl202010958689.4，名称为“一种竖向调谐质量滚珠丝杠式惯容电涡流阻尼器”的发明及专利号为zl202010086393.8，名称为“一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器”，虽然利用惯质系统降低了超低频调谐质量阻尼器静力伸长量过大的问题，但其采用滚珠丝杆作为惯性质量的运动传递机构，容易发生反向驱动，且该机构缓冲性能低，其内部摩擦力矩也会引起换向时的跳动突变，影响阻尼器的减振效果。

5、鉴于此，有必要提出大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置及方法以解决或至少缓解上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，旨在解决现有的大跨度桥梁在风荷载作用下产生的涡激振动难以控制的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，包括桥墩、主梁、横梁、拉索单元以及扭簧式调谐质量阻尼单元，主梁和横梁分别架设在桥墩上，主梁处于横梁的上方，扭簧式调谐质量阻尼单元的第一端与横梁连接，扭簧式调谐质量阻尼单元的第二端向外悬挑布置，拉索单元与扭簧式调谐质量阻尼单元一一对应布设，拉索单元倾斜布置在主梁和扭簧式调谐质量阻尼单元之间，扭簧式调谐质量阻尼单元包括桁架、扭转弹性复位件、扭转阻尼器以及质量块，扭转弹性复位件的第一端固定设于横梁上，扭转弹性复位件的第二端向外布置并与桁架的安装端连接，扭转阻尼器的第一端与横梁固定连接，扭转阻尼器的第二端向外布置并与桁架的安装端连接，扭转弹性复位件与扭转阻尼器处于桁架的同一侧向且沿高度方向错位分布，质量块设于桁架的悬挑端上，桁架绕扭转弹性复位件的扭转中轴线可转动地布置，拉索单元与桁架的连接位置点距离质量块的质量中心的第一距离大于拉索单元与桁架的连接位置点距离扭转中轴线的第二距离，通过扭转阻尼器做功在桁架绕扭转中轴线摆动时进行耗能。

3、进一步地，质量块可拆卸地设于桁架的悬挑端上，桁架的第二端设有螺纹孔，通过螺纹紧固件与螺纹孔配合将质量块固定设于桁架上。

4、进一步地，多组螺纹孔沿桁架的长度方向间隔布置，质量块的安装边上设有与一组螺纹孔对应的安装孔。

5、进一步地，扭转弹性复位件包括带有弹簧安装轴的弹簧底座以及扭转弹簧，弹簧底座固定设置在横梁上，扭转弹簧通过弹簧安装轴装配在弹簧底座上，扭转弹的第一端与弹簧底座弹性抵持，扭转弹簧的第二端通过安装套筒与桁架的安装端连接。

6、进一步地，拉索单元包括传递拉索、梁端耳板以及桁架端耳板，传递拉索、梁端耳板以及桁架端耳板一一对应布设，梁端耳板固定设于主梁的底面，桁架端耳板固定设于桁架的顶面，传递拉索的上端铰接设于梁端耳板上，传递拉索的下端铰接设于桁架端耳板上。

7、进一步地，传递拉索的数量为两个，桁架的宽向两侧分别设有传递拉索。

8、进一步地，扭簧式调谐质量阻尼单元的数量为两个，两个扭簧式调谐质量阻尼单元沿主梁的中截面对称布置在主梁的边跨上。

9、本发明还提供一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振方法，包括如下步骤：

10、采用公式确定减振频率，其中，为扭转弹性复位件提供的转动刚度，为拉索单元提供的刚度，为质量块的质量，为桁架质量，为传拉索单元与桁架的连接位置点距离质量块的质量中心的第一距离，为拉索单元与桁架的连接位置点距离扭转中轴线的第二距离，为拉索单元与主梁的夹角。

11、与现有技术相比，本发明所提供的一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置具有如下的有益效果：

12、本发明所提供的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，包括桥墩、主梁、横梁、拉索单元以及扭簧式调谐质量阻尼单元，主梁和横梁采用分体式布置，通过扭簧式调谐质量阻尼单元包括桁架、扭转弹性复位件、扭转阻尼器以及质量块，桁架通过扭转弹性复位件悬挑布置在横梁上，桁架与横梁之间还布置有扭转阻尼器，拉索单元倾斜布置在主梁和扭簧式调谐质量阻尼单元之间，质量块设于桁架的悬挑端上，拉索单元与桁架的连接位置点距离质量块的质量中心的第一距离大于拉索单元与桁架的连接位置点距离扭转中轴线的第二距离，桁架绕扭转弹性复位件的扭转中轴线可转动地布置，实现了使拉索单元、桁架、扭转弹性复位件以及质量块组合构成振动传递放大结构，通过拉索单元将主梁的低频振动传递至桁架上，通过第一距离大于第二距离实现了振动放大，最后在扭转阻尼器的作用下进行耗能实现对涡激振动的抑制，实现了以较小质量的质量块即可实现更大的阻尼附加质量，提高了扭转阻尼器的减振效果，并且无需在桥梁主梁梁体内部设置阻尼机构，避免了在桥梁主梁梁体内部安装阻尼件时的安装空间的问题。

技术特征：

1.一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，其特征在于，

4.根据权利要求1至3任一项所述的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，其特征在于，

5.根据权利要求1至3任一项所述的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，其特征在于，

7.根据权利要求5所述的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，其特征在于，

8.一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振方法，其特征在于，用于如权利要求1至7任一项所述的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置及方法，涉及桥梁减振桥技术领域，包括桥墩、主梁、横梁、拉索单元和扭簧式调谐质量阻尼单元，扭簧式调谐质量阻尼单元的第一端与横梁连接，扭簧式调谐质量阻尼单元的第二端向外悬挑布置，拉索单元与扭簧式调谐质量阻尼单元一一对应布设，拉索单元倾斜布置在主梁和扭簧式调谐质量阻尼单元之间，扭簧式调谐质量阻尼单元包括桁架、扭转弹性复位件、扭转阻尼器以及配重。本发明的大跨度桥梁主梁超低频涡振控制减振装置，以较小质量的质量块即可实现更大的阻尼附加质量，提高了扭转阻尼器的减振效果，无需在桥梁主梁梁体内部设置阻尼机构，解决了在桥梁主梁梁体内部安装阻尼时的安装空间的问题。技术研发人员：王巍,金朝,魏标,刘鹏飞,尹康,徐自然,赵海威,严磊,王泽豪,谭昊受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1