一种悬索桥长吊索缆端减振系统

1.本发明涉及桥梁工程领域，特别是一种悬索桥长吊索缆端减振系统。


背景技术：

2.悬索桥指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁结构形式，是大跨径桥梁最有利的竞争桥型之一。目前，部分超大跨径悬索桥跨径已经超过了2000m。2022年通车的1915恰特卡莱大桥主跨为2023m，在建张靖皋大桥主跨甚至达到了2300m。对于悬索桥而言，吊索是其传力路径的重要构成部分，安全可靠的吊索是悬索桥能够正常使用的重要保障。由于吊索阻尼低、质量小、频率低的固有特征，在风荷载作用下极易产生大幅度振动，甚至出现碰索现象。超大跨径悬索桥的出现对长吊索的风振控制提出了越来越高的要求。
3.目前，控制吊索振动的主要手段有索间安装刚性减振架、索间安装高耗能橡胶阻尼器、吊索底部安装阻尼器三种方法。索间安装刚性减振架是最简单的控制方式之一，由于其本身无阻尼耗能能力，控制能力有限。索间安装高耗能橡胶阻尼器虽能提供足够的附加阻尼，但是其材料耐久性差、易损坏。同时，上述两种控制方式均存在控制装置掉落的风险。另外，对于超过200m的长吊索，其对吊索上端的控制效果有待检验。
4.综上所述，亟需一种新的减振控制系统，可以对悬索桥长吊索进行有效风振控制的同时降低装置脱落的风险。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种悬索桥长吊索缆端减振系统，该悬索桥长吊索缆端减振系统能对超过200m的长吊索上端的风振进行有效控制。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种悬索桥长吊索缆端减振系统，包括减振支架和两组缆端阻尼减振组件。
8.悬索桥的主缆通过若干组长吊索与桥面钢梁相连接，每组长吊索均包括两根平行设置的吊索。
9.减振支架包括主缆索夹、环形系杆和竖向支撑杆。
10.主缆索夹锁紧假设在主缆外侧；环形系杆水平且同轴套设在主缆正下方其中一组长吊索的外周，环形系杆通过若干根竖向支撑杆与主缆索夹相连接。
11.两组缆端阻尼减振组件对称布设在环形系杆内腔中，每组缆端阻尼减振组件的两端分别与对应吊索和环形系杆相连接。
12.每组缆端阻尼减振组件均包括两个呈v型或l型布设的缆端阻尼器。
13.减振支架还包括辅助连杆，辅助连杆用于将若干根竖向支撑杆的中部连接形成一体。
14.将所有竖向支撑杆在竖直面上投影的平均值称为缆端阻尼器安装高度ah，则ah的
计算公式为：
15.ah＝2lζh16.其中：
17.ζh＝ζ
d-ζ
l-ζs[0018][0019]
式中，ζh为缆端减振系统的最小设计阻尼比；ζd为吊索设计阻尼比；ζ
l
为梁端阻尼器设计阻尼比；ζs为吊索固有阻尼比；a
l
为梁端阻尼器距离地面高度；l为吊索长度。
[0020]
在缆端减振系统设计阻尼比ζh保持不变的前提下，通过减少减振支架质量m，进而减少缆端减振系统的制作成本f。
[0021]
通过构建缆端减振系统制作成本f关于减振支架质量m的函数，进而得到最优化的缆端减振系统设计参数；其中，缆端减振系统设计参数包括环形系杆材料单位质量价格w1、材料密度ρ1、环形系杆截面面积a1、环形系杆形状函数c1、辅助连杆材料单位质量价格w2、材料密度ρ2、辅助连杆的截面面积a2、辅助连杆形状函数c2、竖向支撑杆材料单位质量价格w3、材料密度ρ3、竖向支撑杆截面面积a3和所有竖向支撑杆总长度l3；减振支架质量m包括环形系杆质量m1、辅助连杆质量m2和竖向支撑杆质量m3；则缆端减振系统制作成本f关于减振支架质量m的函数表达式为：
[0022]
min f＝{w1mm1，w2m2，w3m3}
[0023]
其中：
[0024][0025][0026]
m3＝ρ3a3l3[0027]
式中，ds表示曲线积分中曲线c1或c2的积分微元段长度。
[0028]
另外，缆端减振系统制作成本f在求解过程中，需满足如下7个约束条件：
[0029][0030]
式中，σ1、σ2和σ3分别为环形系杆、辅助连杆和竖向支撑杆内的应力；
[0031]
[σ1]、[σ2]和[σ3]分别为环形系杆、辅助连杆和竖向支撑杆的材料容许应力；
[0032]
ε1、ε2和ε3分别为环形系杆、辅助连杆和竖向支撑杆内的应变；
[0033]
[ε1]、[ε2]和[ε3]分别为环形系杆、辅助连杆和竖向支撑杆的材料容许应变；
[0034]
disp为缆端减振系统的变形量，lim为缆端减振系统的变形量限值，为设定值。
[0035]
每组缆端阻尼减振组件中两个缆端阻尼器所在平面与水平面之间的仰角γ取值范围为0～6
°
，具体计算公式为：
[0036][0037]
式中：f
s，max
为单个缆端阻尼器启动时的最大静阻尼力，为设计值；g为单个缆端阻尼器自重。
[0038]
还包括防脱落装置，防脱落装置包括环形系杆防脱落柔性索和缆端阻尼器防脱落柔性索；每根吊索均通过对称布设的环形系杆防脱落柔性索与环形系杆相连接；每个缆端阻尼器均通过一根缆端阻尼器防脱落柔性索与主缆索夹相连接。
[0039]
本发明具有如下有益效果：
[0040]
1.本发明通过支撑吊杆、曲线刚性系梁、辅助连杆形成了稳定的空间结构，在顺桥向和横桥向可提供充足的刚度，从而为阻尼器提供有效支撑；同时，该结构造型优美，符合现代桥梁美学要求。
[0041]
2.本发明中的阻尼器在曲线系梁处的安装高度低于索端连接件处的高度，可有效避免应重力而导致的阻尼器内部活塞卡阻。
[0042]
3.本发明中的阻尼器依托减振支架与吊索布置，并以防脱落柔性索作为其安全保障措施，既方便阻尼器的安装、维护与更换，也降低了阻尼器失效后掉落的风险。
[0043]
4.本发明中防脱落装置的设置，可降低减振支架意外脱落的风险。
[0044]
5.本发明采用多参数联合优化方案，可提高减振系统的整体工作效率，也即在缆端减振系统设计阻尼比保持不变的前提下，通过减少减振支架质量，进而降低制作成本。
附图说明
[0045]
图1为本发明一种悬索桥长吊索缆端减振系统的三维仿真示意图。
[0046]
图2为本发明一种悬索桥长吊索缆端减振系统的主视图。
[0047]
图3为图2中1-1处的剖面图。
[0048]
图4为本发明一种悬索桥长吊索缆端减振系统的侧视图。
[0049]
其中有：
[0050]
1.竖向支撑杆；2.环形系杆；3.连接钢板；4.辅助连杆；5索端连接件；6.缆端阻尼器；7.吊索；8.防脱落装置；9.主缆；10.主缆索夹。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0052]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0053]
如图1至图4所示，一种悬索桥长吊索缆端减振系统，包括减振支架、两组缆端阻尼减振组件和防脱落装置8。
[0054]
悬索桥的主缆通过若干组长吊索与桥面钢梁相连接，每组长吊索均包括两根平行设置的吊索7。
[0055]
减振支架包括主缆索夹10、环形系杆2、竖向支撑杆1和辅助连杆4。
[0056]
主缆索夹锁紧假设在主缆外侧；环形系杆水平且同轴套设在主缆正下方其中一组长吊索的外周，环形系杆通过若干根竖向支撑杆与主缆索夹相连，本发明中，环形系杆优选通过4根竖向支撑杆与主缆索夹相连。
[0057]
两组缆端阻尼减振组件对称布设在环形系杆内腔中，每组缆端阻尼减振组件的两端分别与对应吊索和环形系杆相连接。
[0058]
每组缆端阻尼减振组件均包括两个呈v型或l型布设的缆端阻尼器6，每个缆端阻尼器6的外侧端优选通过连接钢板3安装在环形系杆的内壁面上，每个缆端阻尼器的内侧端优选固定套设在对应的吊索外周。
[0059]
辅助连杆用于将若干根竖向支撑杆的中部连接形成一体。
[0060]
防脱落装置包括环形系杆防脱落柔性索和缆端阻尼器防脱落柔性索；每根吊索均通过对称布设的环形系杆防脱落柔性索与环形系杆相连接；每个缆端阻尼器均通过一根缆端阻尼器防脱落柔性索与主缆索夹相连接。
[0061]
将所有竖向支撑杆在竖直面上投影的平均值称为缆端阻尼器安装高度ah，则ah的计算公式为：
[0062]ah
＝2lζh[0063]
其中：
[0064]
ζh＝ζ
d-ζ
l-ζs[0065][0066]
式中，ζh为缆端减振系统的最小设计阻尼比；ζd为吊索设计阻尼比；ζ
l
为梁端阻尼器设计阻尼比；ζs为吊索固有阻尼比；a
l
为梁端阻尼器距离地面高度；l为吊索长度。
[0067]
在缆端减振系统设计阻尼比ζh保持不变的前提下，通过减少减振支架质量m，进而减少缆端减振系统的制作成本f。
[0068]
通过构建缆端减振系统制作成本f关于减振支架质量m的函数，进而得到最优化的缆端减振系统设计参数；其中，缆端减振系统设计参数包括环形系杆材料单位质量价格w1、材料密度ρ1、环形系杆截面面积a1、环形系杆形状函数c1、辅助连杆材料单位质量价格w2、材料密度ρ2、辅助连杆的截面面积a2、辅助连杆形状函数c2、竖向支撑杆材料单位质量价格w3、材料密度ρ3、竖向支撑杆截面面积a3和所有竖向支撑杆总长度l3；减振支架质量m包括环形系杆质量m1、辅助连杆质量m2和竖向支撑杆质量m3；则缆端减振系统制作成本f关于减振支架质量m的函数表达式为：
[0069]
min f＝{w1m1，w2m2，w3m3}
[0070]
其中：
[0071][0072]
[0073]
m3＝ρ3a3l3[0074]
式中，ds表示曲线积分中曲线c1或c2的积分微元段长度。
[0075]
针对m1和c1，根据环形系杆的形状进行确定。
[0076]
对曲线形态为圆形的环形系杆有故质量m1＝πρ1a1d1，其中d1为环形系杆的直径。
[0077]
对曲线形态为正方形的环形系杆有质量m1＝4ρ1a1a1，式中a1为环形系杆的边长。
[0078]
对椭圆形的环形系杆，则需要增加优化变量偏心率e1。
[0079]
针对m2和c2，根据辅助系杆的形状进行确定，确定方法，参照m1和c1。
[0080]
另外，缆端减振系统制作成本f在求解过程中，需满足如下7个约束条件：
[0081][0082]
式中，σ1、σ2和σ3分别为环形系杆、辅助连杆和竖向支撑杆内的应力；
[0083]
[σ1]、[σ2]和[σ3]分别为环形系杆、辅助连杆和竖向支撑杆的材料容许应力；
[0084]
ε1、ε2和ε3分别为环形系杆、辅助连杆和竖向支撑杆内的应变；
[0085]
[ε1]、[ε2]和[ε3]分别为环形系杆、辅助连杆和竖向支撑杆的材料容许应变；
[0086]
disp为缆端减振系统的变形量，lim为缆端减振系统的变形量限值，为设定值。
[0087]
进一步，设定长吊索缆端减振系统的位移平衡约束、荷载平衡约束如下所示：
[0088][0089]
式中，ui为边界位移矢量，为边界的约束位移；σ
ij
为边界上的面应力，nj为面的外法向量，为边界荷载，对阻尼器连接节点即阻尼力的反作用力。边界包含：竖向支撑杆与主缆的连接节点、竖环形系杆与阻尼器的连接节点、竖向支撑杆的迎风面。
[0090]
每组缆端阻尼减振组件中两个缆端阻尼器所在平面与水平面之间的仰角γ取值范围为0～6
°
，具体计算公式为：
[0091][0092]
式中：f
s，max
为单个缆端阻尼器启动时的最大静阻尼力，为设计值，由阻尼器厂商设计出的阻尼器型号及确定；g为单个缆端阻尼器自重。
[0093]
阻尼器设置仰角是为了降低重力导致的缆端阻尼器内活塞的卡阻作用。在较小的风荷载下，由于风荷载的分力未达到阻尼器启动的最大静阻尼力，因此阻尼器将不起作用，使阻尼器的工作效率降低，这种现象被称为卡阻作用。设阻尼器启动的最大静阻尼力为f
s，max
，由阻尼器厂商设计出的阻尼器型号及确定。因此当时，阻尼器在无风状态下恰好处在动态平衡，因此较小风荷载即可使阻尼器启动工作。
[0094]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。