一种钢-混组合梁桥的碰撞减振装置的制作方法

一种钢
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混组合梁桥的碰撞减振装置
技术领域
1.本实用新型是一种钢
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混组合梁桥的碰撞减振装置，尤其涉及钢
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混组合梁桥行车振动的碰撞减振装置。


背景技术：

2.在钢
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混组合梁桥中，由于钢材抗拉强度高，混凝土抗压性能好，使得处于正弯矩区的组合梁恰好发挥了钢材和混凝土优越的材料性能，因此被广大桥梁工程师接受和认可。车辆在桥梁上运行时，会对桥梁结构产生动力冲击，使桥梁产生振动，而桥梁结构的振动又反过来对桥上运行的车辆产生影响。这样，车辆振动和桥梁结构的振动相互影响，形成一个复杂的多自由度振动系统。因此，对钢
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混组合梁桥由于车辆移动荷载导致的桥梁结构振动问题进行研究对于桥梁结构的健康监测以及保障行车的安全性具有重要的意义。
3.调谐质量阻尼器(tuned mass damper，简称tmd)是一种离散型阻尼装置，也称作为一个主动质量阻尼器或谐波减振器，可用于桥梁结构等的减振控制，这种装置通常是安装在振动结构，以抑制结构的振动，防止结构的损坏和失效。tmd的吸振原理是把tmd(包括质量块、并联的弹簧和阻尼器)连接到主结构上，通过惯性质量与主结构控制振型谐振将主结构的能量转移到tmd，从而抑制主结构的振动。tmd通过与主体结构之间的相对运动来缓解主结构的动力响应，此种形式的tmd能量耗散能力非常有限。同时，tmd的质量往往高达几吨，而钢
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混组合梁桥自身质量较小，并且所能提供的安装空间有限，这样就限制了tmd在钢
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混组合梁桥中的应用。


技术实现要素：

4.本实用新型为克服现有技术存在的不足之处，提供一种钢
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混组合梁桥的碰撞减振装置，旨在减小钢
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混组合梁桥在车辆移动荷载作用下的振动反应，从而达到耗能减振的效果。
5.为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
6.本实用新型一种钢
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混组合梁桥的碰撞减振装置，所述钢
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混组合梁桥包括：混凝土桥面板以及在桥墩上的工字钢梁；其特点是，在相邻桥墩的工字钢梁之间设置有碰撞减振装置；所述碰撞减振装置是在金属箱内对称设置有碰撞机构，在两侧的碰撞机构之间设置有调谐质量阻尼器；所述调谐质量阻尼器由n个套杆组成并垂直焊接在金属箱的顶部和底部，每个套杆上套装有弹簧，并在弹簧的中部串接有小质量球，n个套杆上的小质量球通过刚性杆连为一体，从而使得各小质量球保持在同一水平面上；
7.所述碰撞机构是在金属箱的顶部和底部上分别通过连接件设置有刚性板，在所述刚性板上贴附有粘弹性材料层，在顶部和底部的粘弹性材料层之间设置有大质量球；且所述大质量球通过刚性杆与互连为一体的小质量球相连。
8.本实用新型所述的碰撞减振装置的特点也在于是，所述调谐质量阻尼器中设置五根套杆，且呈“叉”型分布，两侧的小质量球互连后与中间的小质量球相连。
9.所述桥碰撞减振装置的频率通过套杆上弹簧的刚度来调节。
10.所述小质量球的频率由小质量球的质量与套杆上弹簧的刚度控制。
11.与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：
12.本实用新型的减振装置通过竖直设置的多根套杆，套杆上均设有弹簧，多根套杆形成多组可调的频率比，实现了对被控结构竖直方向上的振动的多级控制，克服了调谐质量阻尼器的失谐效应，提高了装置的减振率；同时，该减振装置中质量球与粘弹性材料层的碰撞可以更好地耗散能量，极大地提高了该装置的减振效果，扩大了该装置的适应范围。
附图说明
13.图1是本实用新型实施例提供的钢
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混组合梁桥碰撞减振装置的主视图；
14.图2是本实用新型实施例提供的钢
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混组合梁桥碰撞减振装置a
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a剖面图；
15.图3是本实用新型的钢板组合梁桥横截面示意图；
16.图4是本实用新型ptmd的布设位置示意图；
17.图5a是本实用新型f1＝2.65时的一阶竖弯振型图；
18.图5b是本实用新型f2＝10.21时的二阶竖弯振型图；
19.图6是安装减振装置前后位移时程对比结果图；
20.图中标号：1弹簧，2套杆，3小质量球，4刚性杆，5隔板，6金属箱，7大质量球，8刚性板，9连接件，10粘弹性材料层，11混凝土桥面板，12工字钢梁，13桥墩。
具体实施方式
21.本实施例中，如图3所示，钢
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混组合梁桥包括：混凝土桥面板11以及在桥墩13上的工字钢梁12，一种钢
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混组合梁桥碰撞减振装置如图1，图2所示，该装置是设置在相邻桥墩13的工字钢梁12之间，并由调谐质量阻尼器与两侧对称设置的碰撞机构共同组成的。其中，调谐质量阻尼器是由五根弹簧1、五根套杆2、五个小质量球3、刚性杆4、隔板5和金属箱6构成。碰撞机构是由一个大质量球7、两块刚性板8、两个连接件9和刚性杆4构成。
22.如图1所示，金属箱6内部被两块隔板5分为三个空间，每块隔板5上带有一个长条状孔。隔板5中间空间为调谐质量阻尼器，隔板5两边空间为碰撞机构，二者通过穿过隔板5上长条状孔的刚性杆4相连。调谐质量阻尼器中设置五根套杆2，且呈“叉”型分布，套杆2垂直焊接在金属箱6的顶部和底部，每根套杆2上套装有弹簧1，并在所述弹簧1的中部串接有小质量球3。如图2所示，五个小质量球3在水平方向通过刚性杆4互连为一体，从而使得各小质量球保持在同一水平面上。
23.如图1所示，碰撞机构为两侧对称结构，每侧的碰撞机构是在金属箱6的顶部和底部上分别通过连接件9设置有刚性板8，在所述刚性板8上贴附有粘弹性材料层10，在顶部和底部的粘弹性材料层10之间设置有大质量球7；且所述大质量球7通过过刚性杆4与互连为一体的小质量球相连。由于调谐质量阻尼器的存在，碰撞机构中的大质量球7能沿竖直方向振动，并可以与刚性板8上贴附的粘弹性材料层10发生碰撞，达到耗能减振的效果。
24.本实施例中，碰撞减振装置在使用时应当固定于混凝土桥面板11下部，如图3所示。当桥梁结构产生振动时，金属箱6及其内部的弹簧1、套杆2、小质量球3组成了一个竖向的调谐质量阻尼器，允许小质量球3沿着竖向振动。同时，调谐质量阻尼器中的小质量球3通
过刚性杆4带动碰撞系统中的大质量球7沿着竖向振动，并与刚性板8发生碰撞，通过小质量球3的振动和大质量球7的碰撞，减小所在桥梁结构的振动反应，达到耗能减振的效果。可以通过调节弹簧的刚度和质量球的质量来保证阻尼器的频率与结构的固有频率保持一致，达到最优的减振效果。
25.本实施例中，桥碰撞减振装置的频率通过套杆上弹簧的刚度来调节，所述小质量球的频率由小质量球的质量与套杆上弹簧的刚度控制。弹簧的刚度和质量球的质量设置时，需要的注意是：第一，质量球摆动频率尽可能接近被控结构的主频率；第二，合理选择弹簧刚度，确保调谐质量阻尼器的频率接近被控结构的竖向振动频率；第三，粘弹性材料仅布置在刚性板与质量球发生碰撞的表面，以降低造价。
26.本实用新型实施例可用于钢
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混组合梁桥的行车振动控制应用中。在实际应用中，可沿着桥梁结构的顺桥向分布式设置多个该减振装置，如图4所示，以均化桥梁在行车过程中所产生的振动，降低桥梁结构的损伤。应当根据结构的具体情况确定该减振装置的安装位置和数量，以达到最佳的减振效果。其中，该减振装置可通过将其箱体固定安装在钢
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混组合梁桥的桥面下部，例如，二者可通过高强度螺栓等连接方式进行固定，本领域技术人员可根据实际情况灵活选择其固定方式，只要能够保证其稳固性即可。
27.本实用新型实施例中所述桥碰撞减振装置的运动方程如下：
[0028][0029][0030][0031]
f
p
‑
bv
(t)＝k
pv
[y
vb
‑
y
vp
]；f
p
‑
bl
(t)＝k
pl
[y
lb
‑
y
lp
]
[0032]
式中，m
p
为ptmd的质量；c
pv
和c
pl
为ptmd在垂直和横向的阻尼；k
pv
和k
pl
为ptmd的刚度；f
p
‑
bl
(t)为桥梁和ptmd在水平方向上的相对运动产生的力；f
p
‑
bv
(t)为垂直方向上的力；f
p
‑
bvp
(t)和f
p
‑
blp
(t)为垂直方向和水平方向的冲击力；h为冲击力的方向；γ为冲击力的位置。
[0033]
将该减振装置应用于钢板组合梁桥，验证其减振效果。
[0034]
结合图3、图4利用有限元软件建立钢
‑
混组合梁桥有限元模型，验证本装置的减振效果。混凝土桥面板采用solid65单元，工字钢和横隔梁采用shell181单元，其基本尺寸如下：
[0035]
混凝土面板的长、宽、高依次为35000mm、13000mm、450mm，采用c50混凝土，其弹性模量ex＝3.45
×
10
10
n/m2，泊松比ν＝0.2，密度dens＝2700kg/m3；工字钢梁采用q345，其弹性模量ex＝2
×
10
11
n/m2，泊松比ν＝0.245，密度dens＝7850kg/m3上下翼缘板厚t1＝t2＝20mm，腹板厚度t3＝20mm，工字钢高度w3＝1750mm，长度为35000mm；横隔梁横截面为矩形600mm
×
30mm，采用q345钢梁。
[0036]
通过模态分析得到桥梁的前两阶竖弯振型如图5a和图5b所示，一阶频率为2.65，二阶频率为10.21。初步分析表明，在钢板组合梁桥的动力位移响应中，该桥的第一阶振型占主导地位。为了减小桥梁的动力响应，需要将减振装置调到桥梁的基频(一阶频率)，并安装在位移响应最大处(跨中位置)。为增大减振效果，并考虑结构安全和施工方便等因素，本
实验例采用分布质量布置方法，以边跨为研究对象，在边跨跨中及跨中前后距桥墩10m的位置分别布设相同的减振装置。减振装置的布设方式如图4所示。
[0037]
桥梁在移动车辆荷载作用下的振动受到路面平稳度、车辆质量、车速等多种因素的影响。本实验例选用路面不平整度为c级(一般)，车辆质量为55t，车速为50km/h进行仿真计算。为了验证本实施例所提及减振装置的减振效果，给出了移动车辆荷载作用下安装该减振装置前后钢板组合梁桥边跨跨中节点的位移时程图并进行比较，如图6所示。
[0038]
对匀速移动车辆荷载作用下桥梁结构的位移时程分析可知，未安装减振装置的钢板组合梁桥边跨跨中竖向振动最大位移为6.814mm；安装减振装置的钢板组合梁桥边跨跨中竖向振动最大位移为4.689mm。未安装减振装置的最大位移值明显大于安装减振装置的最大位移，可以看出，该减振装置对桥梁结构的振动控制是有效的，安装该减振装置对钢板组合梁桥边跨跨中位移振动的减振率为31.18％。