[发明专利]斜拉索减振限位装置

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁工程领域，尤其涉及一种斜拉桥的拉索减振限位装置。

背景技术

拉索是斜拉桥的关键构件，考虑到拉索的柔性、相对较小的质量及较低的阻尼，在风荷载、风雨共同作用及车辆荷载等活载作用下拉索极易发生振动。拉索振动可分为两大类：风致振动与非风致振动。风致振动包括涡激共振、尾流驰振、驰振、风雨激振等；非风致振动主要指参数振动和内共振。拉索的大幅振动容易引起锚固端的疲劳，或者损坏拉索端部的腐蚀保护系统，缩短拉索的使用寿命，严重时甚至要紧急封闭交通。拉索振动已成为大跨径斜拉桥急待解决的关键问题之一，也引起了国内外学者越来越多的关注。经过20多年的研究，人们已经初步认识拉索振动的机制，在实际工程中也已提出并采用了很多有效的拉索减振措施，取得了明显的减振效果。现有的减振措施有：空气动力学措施、结构措施与机械阻尼措施。(一)空气动力学措施：拉索的风雨激振、涡激共振等都是由于气流流经拉索时流态发生周期性的改变对拉索进行激励而引起的。气动措施就是通过改变拉索的断面形式或拉索的表面形态来改变拉索的气动特性，使气流流经拉索时不再引起拉索的振动。这对抑制拉索的风雨激振很有效，对抑制涡激振动也有一定的效果。空气动力学减振措施由于没有完备的理论依据，目前的设计、施工只能依靠现有的经验和试验所得的结论，想要达到理想的减振效果难度较大。(二)结构措施：目前已证明有效的结构措施主要是辅助索方法。即将多根斜拉索横向连接起来，或者用连接器将相互并列的两根拉索连接起来，达到抑制拉索振动的目的。辅助缆索将拉索连接后，各拉索将不能再单独振动，任何一阶阵型的振动都会使每根拉索或多或少的发生振动。如果仅仅在部分拉索作用动态空气力或自激振动力，由于辅助索的连接，相对质量变大(意味着相对外力变小)，即可抑制振动。当辅助缆索和拉索的连接非常牢固时，辅助缆索中会产生很大的内力和应变，由于滞回能量的耗散，拉索——辅助缆索体系的阻尼可以提高，这一点已经在实桥上得到验证。辅助缆索可以增加拉索面内刚度，并可使主索低阶频率提高，但仅用一根辅助缆索时频率的增大效果是很有限的。辅助索方法的缺点是，破坏了原有索面的景观；辅助索设计复杂，安装困难。因此目前设计师都倾向于尽量不采用这种方法。(三)机械减振措施：在拉索的适当部位(通常是在拉索锚固端附近)安装各种形式的阻尼器，可以提高拉索的模态阻尼来耗散拉索的振动能量。阻尼器方法是一种“广泛的”减振措施，对各种拉索振动都有良好的减振效果。根据阻尼器所用材料不同可分为高阻尼橡胶减振器、油阻尼器、粘性剪切型阻尼器、MR智能阻尼器(磁流变阻尼器)、摩擦阻尼器等。(1)高阻尼橡胶阻尼器(High Damping RubberDamper)利用橡胶和拉索之间的摩擦以及橡胶自身的剪切变形黏滞阻尼耗能。高阻尼橡胶既具有弹性固体性质，又表现出黏性流体特性。弹性固体在外力作用下发生弹性变形，产生势能而不耗散能量，黏性流体在外力作用下发生不可逆黏性流动，产生热能而耗散能量。由于粘弹性材料兼具二者特性，所以在工程中应用广泛。高阻尼橡胶圈可提供的阻尼是有限的，因而减振效果不是很理想。采用高阻尼橡胶圈与其他阻尼器联合使用是一个发展方向，但它们的放置位置与组合方式还需要做进一步的研究。(2)最初的油阻尼器(Oil Damper)多采用汽车减振器，由于车用减振器为油压式，只能提供轴向阻尼力，所以为了控制斜拉索的椭圆形振动，一般一根拉索需要采用两个阻尼器来控制拉索的面内和面外振动。油阻尼器的主要问题是其机械构造复杂，对微小振动不敏感，使其安装调节比较麻烦。由于油阻尼器阻尼介质为液体，易发生漏油和渗油现象，其维修费用相对较高。(3)黏性剪切型阻尼器(Viscous Shear Damper)是利用黏性材料的剪切变形产生的抵抗力来抑制拉索的振动。一个黏性剪切型阻尼器可同时控制拉索面内、面外两个方向的振动，并可追踪由拉索的轴向运动而带来的阻尼器安装位置的变化。其构造特点为由阻尼器内插板的运动使黏性材料产生剪切变形，从而将拉索的振动能量传给黏性材料。黏性剪切型阻尼器构造简单、机械加工要求低，可通过调节插板的面积和黏性材料的注入量很容易地得到所需的黏性阻尼系数。黏性材料多为高分子化合物，其性能将决定黏性剪切型阻尼器的使用效果。由于黏性材料的阻尼特性和刚度特性对温度的敏感性很高，因此黏性剪切型阻尼器的减振效果受温度的影响比较大。(4)磁力阻尼器：(Magnetic force Damper)目前仅在日本试验性地应用于天建寺桥上，该桥为主跨219m的PC斜拉桥。其原理是：拉索发生振动，其上的吸着板接近磁石时将被吸着，当索的侧向运动力超过吸着力时，两者又分离，吸着和分离将改变拉索的振动特性，造成不同振型间能量的传递与消耗，达到减振的目的。磁力阻尼器的特点是由于阻尼介质不是液体，对环境适应性能相对比以上三种阻尼器好。尤其值得称道的是它的耐寒性能很好，可适用于严寒地区。它的构造简单，成本、维修费用均较低。(5)MR智能阻尼器：(Magneto-Rheological Damper)是一种半主动控制装置，是以智能材料(磁流变材料)为驱动材料的可调参数阻尼器。两相磁流变液是一种可控液体，它是用不导电的母液和均匀散布在其中的固体磁性颗粒制成的悬浮液。在磁场作用下，流变液中的固体颗粒就形成一束束纤维状的链，横架于磁场的两极之间，这样，对于平行于电极的剪切力而言，流变液在磁场的作用下就会发生磁流变效应，即从流动性良好的具有一定黏滞度的牛顿流体转变为具有一定屈服力的黏塑体，从而达到减振效果。电流变阻尼器与磁流变阻尼器相比，所需的外加电压要高得多，通常要高达数百伏，实现起来有一定的困难。磁流变阻尼器的优点是：受温度等环境因素影响小，阻尼系数的大小可以通过调节输入电压来调整，从而使每根拉索的阻尼力达到最佳状态，取得良好的制振效果。磁流变阻尼器的缺点是：控制力只有通过输入电流或电压、改变阻尼器磁场强度并被动的依赖结构振动产生阻尼器间的相对速度才能实现。(6)摩擦型阻尼器(Friction Damper)是利用摩擦来消耗拉索振动的能量，从而达到减振的效果。目前开发的摩擦型阻尼器有以下特点：摩擦力可调；易于安装；安装好后，阻尼力为常数，不随振动速度和频率变化；阻尼器的特性对拉索在不同受力状态下的轴向拉伸不敏感；阻尼器个体较小，不影响景观；由于存在静摩擦力，因此该阻尼器对拉索的微幅振动不敏感。摩擦型阻尼器的缺点是：由于诸多因素的限制，它不能放置离桥面太高，所以减振效果受到了极大的限制。