抗涡振阻尼器及悬索公路桥桥面的制作方法

1.本实用新型涉及索桥设计技术领域，特别是涉及一种抗涡振阻尼器及悬索公路桥桥面。


背景技术：

2.悬索桥是将桥面悬吊在悬索上的一种长跨距桥梁。桥面是由一排相互连接的钢箱梁组成，每片钢箱梁都分别悬吊在悬索上，桥面两端则分别与索塔横梁相连，所以静态是由钢箱梁组成的桥面呈水平装置(或微微向上凸起)。车辆通过大桥时，因负载使桥面向下弯曲变形(或凸起变小)。该变形由悬索受力变形和钢箱梁受力变形共同形成。
3.悬索桥在风力作用在，由于存在卡门涡街现象会发生桥面起伏的振动，当涡街频率等于或接近桥体的固有频率时形成共振，这是一种在外力作用下的强迫振动现象即涡振。当振幅达到一定程度时将影响交通安全，甚至对桥体造成损伤。如果涡振幅度大且持续时间长，则可能引发桥面颤振，颤振对大桥有极大的破坏作用，更是桥梁设计上注意避免发生的。当外力消失，因悬索桥的阻尼系数较低，涡振现象仍将持续一段时间。通常由于悬索桥桥体较轻，固有频率较低，钢箱梁悬索桥易发生涡振现象。
4.由风力引起的涡振是一种桥面起伏的动态振动现象，钢箱梁桥面在垂直方向的振动与悬索及吊具垂直方向的振动构成了大桥的整体振动，只是桥面的振动更引起人们的关注。
5.在解决悬索桥涡振问题上，桥梁设计专家注重在大桥结构、形状设计时对大桥空气动力学性能进行分析计算，同时对大桥模型进行风洞试验测试，尽量减弱风对桥面的作用力，使大桥涡振被控制在允许的范围之内，但钢箱梁悬索桥设计方面没有主动防止并减轻涡振现象发生的方法。


技术实现要素：

6.本实用新型要解决的技术问题是提供一种抗涡振阻尼器及悬索公路桥桥面，达到主动防止悬索桥涡振发生或在涡振发生时减轻涡振振幅并使涡振振幅加速衰减的目的。
7.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种抗涡振阻尼器，所述阻尼器包括：左骨架结构端及右骨架结构端，所述左骨架结构端与所述右骨架结构端通过中间的桥面缝隙导轨连接，在桥面缝隙导轨的一侧，设置有负载平衡弹簧，在桥面缝隙导轨的另一侧，设置有活塞阻尼器，并且，所述负载平衡弹簧及所述活塞阻尼器均分别与左骨架结构端及右骨架结构端固定连接。
8.在一些实施方式中，活塞杆左端与左骨架结构端连接，右端装有活塞，活塞筒的右端与右骨架结构端连接。
9.在一些实施方式中，通过注油孔向活塞筒内注满油。
10.此外，本实用新型还提供了一种悬索公路桥桥面，在桥面的横截面处预留有一个缝隙，所述缝隙的宽度与抗涡振阻尼器的长度相等，其间安装抗涡振阻尼器，所述抗涡振阻
尼器为根据前文所述的抗涡振阻尼器。
11.在一些实施方式中，抗涡振阻尼器的左骨架结构梁与其左侧的钢箱梁固定连接，抗涡振阻尼器的右骨架结构梁与其右侧的钢箱梁固定连接。
12.在一些实施方式中，抗涡振阻尼器呈上下两排分布。
13.在一些实施方式中，抗涡振阻尼器安装在两片钢箱梁之间。
14.在一些实施方式中，每个桥孔安装一个或几个抗涡振阻尼器。
15.采用这样的技术方案后，本实用新型至少具有以下优点：
16.按本实用新型设计的悬索桥抗涡振阻尼器，把该阻尼器安装到上述桥面缝隙处的技术方案，提高了悬索桥的阻尼系数，达到主动防止悬索桥涡振发生，在涡振发生时减轻涡振振幅并使涡振快速衰减的目的。
附图说明
17.上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
18.图1a是悬索桥桥面在静态时桥面水平的示意图；
19.图1b是悬索桥桥面在静态时桥面向上凸起的示意图；
20.图2是悬索桥抗涡振阻尼器的力学原理示意图；
21.图3是悬索桥抗涡振阻尼器的组装示意图；
22.图4是悬索桥抗涡振阻尼器的单元示意图；
23.图5是悬索桥抗涡振阻尼器的安装示意图；
24.图6a是悬索桥抗涡振阻尼器安装在悬索桥中部的桥面侧视图；
25.图6b是悬索桥抗涡振阻尼器安装至悬索桥中部的桥面俯视图；
26.图7a是悬索桥抗涡振阻尼器安装至悬索桥两端的桥面侧视图；
27.图7b是悬索桥抗涡振阻尼器安装至悬索桥两端的桥面俯视图。
具体实施方式
28.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
29.力学上悬索桥是一个复杂的悬吊系统，为解决悬索桥的涡振问题，有必要对大桥力学模型进行简化。方法是将悬索桥的悬索、吊索和桥面简化为一平直桥面，两端分别固定在索塔横梁上。分析在负载作用下桥面的变形，以及发生涡振时桥面振动过程与桥面长度变化的关系。
30.假设无负载时两索塔之间的桥面为水平状态，其距离lb，如图1a中的水平黑实线。满载时桥面向下微微弯曲幅度为a，如图1a中的黑实线弧线。涡振时桥面发生起伏振动。如在静态(无负载)时发生涡振，则水平桥面在水平黑实线上下两侧的细实线间起伏振动，双振幅为2a1；若在满载时发生涡振，则桥面在黑实线弧线两侧的细实线间起伏振动，双振幅为2a1。图1b中桥面微微突起，结果相同。
31.可以看出，无论是负载还是涡振，弹性变形都会造成桥面长度边长(桥面起伏使桥面由水平直线变为弧线)。如果两索塔距离不变，负载或涡振发生使桥面变长，必然造成桥
面弯曲。负载智能使桥面向下弯曲，而涡振造成桥面的起伏振动。在图1a中，可以计算出满载时桥面向下微微弯曲幅度为a时，桥面伸长为d；涡振双振幅为2a1时，桥面伸长为2d1；桥梁满载时发生涡振，最大振幅距离水平桥面为a a1时，桥面伸长为d d1。
32.如果桥面静态时，在桥面某横截面处预留一个缝隙宽为l，用于安装抗涡振阻尼器，抗涡振阻尼器静态长度也为l，如图2。抗涡振阻尼器是弹性的，即抗涡振阻尼器中有一个水平方向的弹簧，这里称为负载平衡弹簧，在水平力作用下能被拉伸或被压缩。则悬索桥在负载或风力作用下引起桥面沿长度方向发生弹性变形时，会引起抗涡振阻尼器长度l变化。如果桥面变长时，抗涡振阻尼器受水平压力使长度l变小；如果桥面变短时，抗涡振阻尼器受水平拉伸使长度l变长。桥面长度的变化与负载平衡弹簧长度变化互相抵消，就会保持桥面总长度变化减小或不变。则桥面就不会发生起伏振动。该弹簧是抗涡振阻尼器的一个重要部件。但仅具有这个特性还不能达到降低涡振幅度并使涡振幅度快速衰减甚至防止涡振发生的目的。因为弹簧的恢复力会使桥面继续振动甚至使振动加剧。因此原理上完整的抗涡振阻尼器必须有阻尼装置(阻尼器)。阻尼器在抗涡振阻尼器中与弹簧并排安装，如图2。这样力学上由负载平衡弹簧、阻尼器(二者构成抗涡振阻尼器)和桥面构成了一个二阶有阻尼振动系统。阻尼器具有吸收振动能量，降低系统振幅或防止系统振动发生的作用。
33.桥面长度变化允许最大值为d d1，是抗涡振阻尼器设计的重要给定参数。
34.如果桥面在静态时向上凸起，负载使桥面下沉成近水平状，见图1b，负载或涡振时桥面长度不是伸长而是缩短，只是弹簧受压还是受拉不同而已，不影响上述分析结果。
35.在结构上，抗涡振阻尼器也是桥面的一部分，随桥梁负载和桥面一起发生变形和振动。所以抗涡振阻尼器还必须有桥面缝隙导轨，功能是保证抗涡振阻尼器只是沿桥面长度方向做开合运动。
36.使用按本实用新型设计的悬索桥抗涡振阻尼器，把该阻尼器安装到上述桥面缝隙处的方法，提高了悬索桥的阻尼系数，达到主动防止悬索桥涡振发生，在涡振发生时减轻涡振振幅并使涡振快速衰减的目的。
37.参见图2，在桥面的某横截面处预留一个缝隙宽为l，用于安装抗涡振阻尼器，抗涡振阻尼器静态长度也为l。
38.在桥面的某横截面处预留一个缝隙宽为l，用于安装抗涡振阻尼器，抗涡振阻尼器静态长度也为l。23及24代表两侧桥面。21代表弹簧，22代表阻尼器。
39.图3是抗涡振阻尼器组装示意图。图3的垂直方向是桥面宽度方向桥宽为w，左右方向是桥面长度方向，俯视图。抗涡振阻尼器的长度为l，与桥面长度方向一致，抗涡振阻尼器的宽度与桥面宽度相等。
40.抗涡振阻尼器是由n个抗涡振阻尼器单元构成的，单元长度为m。n个负载平衡弹簧共同承担大桥负载和振动引起的伸缩变形，n个活塞阻尼器共同承担大桥振动的阻尼任务，n个导轨限定桥面只能在桥面长度方向滑动，成为一个整体悬索桥抗涡振阻尼器如图3。
41.图3中抗涡振阻尼器整体能承受的沿桥面方向的最大位移由活塞阻尼器的活塞行程、导轨行程和弹簧的线性变形行程决定。
42.n个抗涡振阻尼器单元按上下两排分布，有利于提高结构强度。图3示意图中只画出一排。
43.抗涡振阻尼器的左骨架结构梁31与其左侧的钢箱梁安装连接，抗涡振阻尼器的右
骨架结构梁32与其右侧的钢箱梁安装连接。n个抗涡振阻尼器单元安装在这两个梁上。抗涡振阻尼器也是桥面的一部分。
44.悬索桥抗涡振阻尼器可以安装在两片钢箱梁之间。每个桥孔安装一个或几个，由工程设计决定。
45.每座桥梁的每个桥孔的抗涡振阻尼器，整体能承受的沿桥面方向的允许位移及大桥应达到的阻尼系数根据悬索桥的抗涡振指标要求确定。
46.悬索桥抗涡振阻尼器则需要根据每一座桥进行工程设计实现，并解决悬索桥抗涡振阻尼器与两侧钢箱梁的整合和悬吊问题。
47.图4是抗涡振阻尼器单元示意图。悬索桥抗涡振阻尼器由n个抗涡振阻尼器单元组成。每个抗涡振阻尼器由负载平衡弹簧41、活塞阻尼器(44、45、48、49、40)和桥面缝隙导轨(42、43)共3个部分构成。抗涡振阻尼器单元结构上有左右两片骨架结构端46、47。负载平衡弹簧41和活塞阻尼器都安装在两个骨架端上，然后与图3中的骨架结构梁31、32安装到一起。
48.负载平衡弹簧41在静态时处自由状态，不受或略受拉力或压力，两端固定在阻尼器的骨架结构端上，平衡弹簧应能承受拉变形，也能承受压变形。在图中示出的情况下，平衡弹簧主要承受压变形。
49.活塞阻尼器44、45、48、49和40组成活塞阻尼器。活塞杆45左端与左骨架结构端46连接，右端装有活塞49，活塞筒40的右端与右骨架结构端47连接。通过注油孔向活塞筒内注满油，并密封注油孔。当左右梁相对运动时，活塞在活塞筒内左右滑动。因为活塞上有左右连通的小孔，势必引起筒内的油通过活塞上的小孔从活塞筒左侧流到右侧，或者从活塞筒的右侧流到左侧，这对桥面的运动产生了阻力。活塞上的小孔越小阻尼力越大，桥面缝隙宽度变化速度越大阻尼力越大，即大桥阻尼系数越大。通过改变活塞上小孔面积和控制活塞与活塞筒的间隙，可以控制悬索桥的阻尼系数。该阻尼力消耗了大桥振动的动能，合适的阻尼系数能使大桥的振动很快停下来，具有阻止和减轻悬索桥发生涡振的能力，从而保护了大桥。
50.桥面缝隙导轨，因为悬索桥抗涡振阻尼器的左右骨架安装梁之间存在相对运动，在外力作用下，可能引起两片骨架安装梁在桥面横向相对位移(错动)，这将造成负载平衡弹簧和活塞阻尼器的损坏，从而造成桥面的损坏。也就是说在结构上，悬索桥抗涡振阻尼器的左右骨架安装梁智能沿左右方向(桥面伸展方向)滑动位移，不能发生沿桥面横向错动，也不能负载时发生桥面塌陷。这就需要在两片骨架安装梁之间安装沿桥面方向的导轨。该导轨保证了骨架安装梁只能沿左右水平方向滑动。
51.图4中42和43为套筒式导轨示意图。外套筒42左端与左骨架结构端46连接，内套筒43右端与右骨架结构端47连接。导轨能保证左右骨架结构端只能沿导轨轴线方向滑动。工程上可以将桥面缝隙导轨从抗涡振阻尼器单元中提出，在抗涡振阻尼器里整体设计，并提供最大位移限位装置。
52.图5是悬索桥抗涡振阻尼器安装示意图。将n个抗涡振阻尼器单元与左右两根骨架梁51和52组装到一起，组成悬索桥抗涡振阻尼器如图3。组装后的悬索桥抗涡振阻尼器便于整体安装于桥面缝隙l中。
53.图6a及图6b是悬索桥抗涡振阻尼器安装在悬索桥中部示意图。图6a为桥面侧视
图，其中61表示悬索桥抗涡振阻尼器，62表示无缝伸缩缝。图6b示意悬索桥抗涡振阻尼器安装在悬索桥中部，尺寸l实际上约为单片钢箱梁长度的十分之一。为了看清，图中l被放大。
54.图7a及图7b是悬索桥抗涡振阻尼器安装在悬索桥两端示意图。图7a为桥面测试图，其中71表示悬索桥抗涡振阻尼器，72表示无缝伸缩缝。图7b示意两个悬索桥抗涡振阻尼器安装在悬索桥桥面两端，尺寸l实际上约为单片钢箱梁长度的十分之一。为了看清，图中l被放大。
55.实施例1
56.图6是悬索桥抗涡振阻尼器安装在悬索桥中部示意图。因为悬索桥抗涡振阻尼器与桥面同宽，长度约为一篇钢箱梁长度的十分之一，悬索桥抗涡振阻尼器可以安装在大桥中部的两片钢箱梁之间。因为在悬索桥抗涡振阻尼器的上方是桥面的一部分，且存在一个可伸缩的缝隙，所以必须安装无缝伸缩，以保证桥面的可通行性。无缝伸缩缝是桥梁设计的成熟技术，可在工程设计时解决。不排除将悬索桥抗涡振阻尼器安装在桥面其他断面的可能性。
57.实施例2
58.图7是悬索桥抗涡振阻尼器安装在悬索桥两端示意图。当悬索桥跨距很大时，在大桥索塔不远处各安装一个悬索桥抗涡振阻尼器，可以提高大桥的阻尼系数，提高抗涡振性能。同实施例1，因为在悬索桥抗涡振阻尼器的上方是桥面的一部分，且存在一个可伸缩的缝隙，所以必须安装无缝伸缩缝，以保证桥面的可通行性。无缝隙伸缩缝是桥梁设计的成熟技术，可在工程设计时解决。
59.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。