一种斜拉索组合减振装置及方法与流程

本发明涉及结构振动控制技术领域，具体涉及一种斜拉索组合减振装置及方法。

背景技术：

随着科学技术的发展、新材料和新技术的研发，斜拉桥的跨径不断被突破，主跨超过1000m的斜拉桥的数量也在不断增加。这也导致了超长斜拉索(《斜拉索外置式黏滞阻尼器》jt/t1038-2016规定长度超过450m的斜拉索为超长斜拉索)的应用日益广泛，相比一般长度的斜拉索，超长斜拉索的柔度会变大、阻尼也会大幅度降低，因此在动力荷载激励下会更易发生不同类型的振动。大量的工实例程表明，超长斜拉索极易发生疲劳破坏，这是因为斜拉桥的超长斜拉索即使在小雨且风力并不大的的情况下，常常会产生振幅大且剧烈的振动。超长斜拉索的疲劳损伤常常会造成斜拉索保护套的破坏，从而加速斜拉索的腐蚀，严重的情况下可能会使斜拉索丧失大部分的承载力或失效，致使整座桥梁的安全性受到严重的影响。

针对超长斜拉索的振动控制通常有外置式阻尼器和内置式阻尼器或两者组合减振的措施，但使用外置式阻尼器的时候所需的阻尼器安装位置比较高，会导致外置式阻尼器安装位置为振动驻点(此处振动位移为0)，此时，斜拉索外置式阻尼器无法发挥减振功能，振动严重的话还会造成阻尼器连接件的损坏。此外，斜拉索外置式阻尼器对斜拉索高阶振动控制效果有限，高频振动易造成斜拉索阻尼器连接件的损伤及螺栓松动，使其耐久性大幅降低。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种斜拉索组合减振装置及方法，能够解决现有技术中外置式阻尼器的时候所需的阻尼器安装位置比较高，导致外置式阻尼器安装位置为振动驻点，无法有效发挥减振功能的问题；同时解决斜拉索高频振动造成斜拉索外置式阻尼器损伤并影响减振效果的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明一种斜拉索组合减振装置，其特征在于，包括：

外置式阻尼器，其包括：

-阻尼器索夹，其用于夹持在斜拉索的设定位置上，

-传力杆，其一端与所述阻尼器索夹连接，

-阻尼器，其用于设在桥面上，并且与所述传力杆的另一端连接；

调谐质量阻尼器，其用于设于锚固点到所述外置式阻尼器之间的斜拉索上。

为了达到更好的宽频控制效果和多阶高频振动控制，所述调谐质量阻尼器可为多重调谐质量阻尼器，可控制斜拉索多个振动频率的振动。

在上述技术方案的基础上，所述调谐质量阻尼器用于设在所述斜拉索的锚固点到所述外置式阻尼器之间的中点上。

在上述技术方案的基础上，所述外置式阻尼器为油阻尼器、粘滞阻尼器或电涡流阻尼器，所述调谐质量阻尼器为多重调谐质量阻尼器。

另一方面，本发明还提供一种斜拉索组合减振方法，包括以下步骤：

根据斜拉索的参数，确定斜拉索的振动基频；

根据斜拉索的减振设计需求，确定外置式阻尼器的安装位置；

根据斜拉索的振动基频和外置式阻尼器的安装位置确定安装位置处斜拉索的振动驻点频率；

根据外置式阻尼器安装位置处斜拉索的振动驻点频率，确定待安装的调谐质量阻尼器的控制频率；

根据外置式阻尼器的安装位置安装外置式阻尼器，并在锚固点到外置式阻尼器之间的斜拉索上安装调谐质量阻尼器。

在上述技术方案的基础上，所述的确定斜拉索的振动基频，具体包括：

根据公式计算得到斜拉索的振动基频f1，其中，l为斜拉索的长度，t为斜拉索的张拉力，m长斜拉索的线密度。

在上述技术方案的基础上，根据斜拉索的减振设计需求，确定外置式阻尼器的安装位置为距离桥面锚固点的斜拉索1％-4％长度处。

在上述技术方案的基础上，所述的根据斜拉索的振动基频和外置式阻尼器的安装位置确定安装位置处斜拉索的振动驻点频率，具体包括：

根据公式确定外置式阻尼器安装位置比n；

根据公式确定安装位置处斜拉索的振动驻点频率fn；

其中，l1为斜拉索的锚固点到外置式阻尼器的距离，l为斜拉索的长度，t为斜拉索的张拉力，m长斜拉索的线密度。

在上述技术方案的基础上，所述的根据外置式阻尼器安装位置处斜拉索的振动驻点频率，确定待安装的调谐质量阻尼器的控制频率，具体包括：

根据外置式阻尼器安装位置处斜拉索的振动驻点频率，确定调谐质量阻尼器的控制频率范围；

根据调谐质量阻尼器的控制频率范围，确定待安装的调谐质量阻尼器的控制频率。

在上述技术方案的基础上，所述的调谐质量阻尼器的控制频率范围为外置式阻尼器1的安装位置处斜拉索的振动驻点频率前后三阶振动频率：

在上述技术方案的基础上，所述调谐质量阻尼器采用钢绞线配两个质量块的多重调谐质量阻尼器，

根据公式和确定调谐质量阻尼器的控制频率；

其中，f1'为调谐质量阻尼器的第一个控制频率，f2'为调谐质量阻尼器的第二个控制频率，e为钢绞线弹性模量，i为钢绞线抗弯刚度，m1为第一个质量块质量，l2为第一个质量块到索夹的距离，m2为第二个质量块质量，l2为第二个质量块到索夹的距离，且l2<l1，安装时，第二个质量位于上方。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在使用该斜拉索组合减振装置及方法时，在锚固点到外置式阻尼器之间的斜拉索上设置调谐质量阻尼器，调谐质量阻尼器选用可满足一定范围内的宽频控制效果的阻尼器，满足超长斜拉索驻点附近前后三阶频率的减振要求，并采取一定的措施附着在斜拉索上。并且调谐质量阻尼器安装方便，通过两种阻尼器的组合使用可以对斜拉索进行有效的全频段控制，解决超长斜拉索减振的难题。另外本发明同样适用于悬索桥长吊索、拱桥长吊杆等杆系结构的减振需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种斜拉索组合减振装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中调谐质量阻尼器的结构示意图。

图中：1、外置式阻尼器；11、阻尼器索夹；12、传力杆；13、阻尼器；2、调谐质量阻尼器；21、tmd夹具；22、钢绞线；23、质量块；24、钢绞线夹具；3、斜拉索；4、桥面。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

图1为本发明实施例中一种斜拉索组合减振装置的结构示意图；如图1所示，本发明提供一种斜拉索组合减振装置，包括：外置式阻尼器1，其包括：阻尼器索夹11，其用于夹持在斜拉索3的设定位置上，外置式阻尼器1还包括传力杆12，其一端与阻尼器索夹11连接，还包括阻尼器13，其用于设在桥面4上，并且与传力杆12的另一端连接；斜拉索组合减振装置还包括调谐质量阻尼器2，其用于设于锚固点到外置式阻尼器1之间的斜拉索3上。

在使用该斜拉索组合减振装置时，在锚固点到外置式阻尼器1之间的斜拉索3上设置调谐质量阻尼器2，调谐质量阻尼器2选用可满足一定范围内的宽频控制效果的阻尼器，满足超长斜拉索驻点附近前后三阶频率的减振要求，并采取一定的措施附着在斜拉索3上。并且调谐质量阻尼器2安装方便，通过两种阻尼器的组合使用可以对斜拉索3进行有效的全频段控制，解决超长斜拉索减振的难题。另外本发明同样适用于悬索桥长吊索、拱桥长吊杆等杆系结构的减振需求。

另外，根据斜拉索振动基频，可验算斜拉索外置式阻尼器所能达到的控制效果的频率范围和对斜拉索外置式阻尼器易造成损伤，针对超过斜拉索控制频率范围的振动，采用多重调谐质量阻尼器进行控制。类似驻点振动控制，多重调谐质量阻尼器进行高频振动控制，可布置多套调谐质量阻尼器(多重调谐质量阻尼器)，从而达到斜拉索宽频控制的效果。

在一些可选地实施例中，调谐质量阻尼器2用于设在斜拉索的锚固点到外置式阻尼器1之间的中点上。

在本实施例中，将调谐质量阻尼器2设在斜拉索的锚固点到外置式阻尼器1之间的中点上，中点出的振动幅度最大，将调谐质量阻尼器2设置在中点上，可以更加有效的控制振动。

在一些可选地实施例中，外置式阻尼器1为油阻尼器、粘滞阻尼器或电涡流阻尼器，调谐质量阻尼器2为多重调谐质量阻尼器。

采用多重调谐质量阻尼器可达到更好的宽频控制效果和多阶高频振动控制，所述调谐质量阻尼器可为多重调谐质量阻尼器，可控制斜拉索多个振动频率的振动。

图2为本发明实施例中调谐质量阻尼器的结构示意图，如图2所示，另外，在本实施例中，调谐质量阻尼器2采用钢绞线配质量块的多重调谐质量阻尼器的减振方案，具体构造包括tmd夹具21，钢绞线22，圆柱形的质量块23，钢绞线夹具24四部分组成。

本发明还提供一种斜拉索组合减振方法，包括：

s1：根据斜拉索3的参数，确定斜拉索3的振动基频。

优选的，根据公式计算得到斜拉索的振动基频f1，其中，l为斜拉索的长度，t为斜拉索的张拉力，m长斜拉索的线密度。

振动基频f1为一阶振动频率。

s2：根据斜拉索3的减振设计需求，确定外置式阻尼器1的安装位置。

在本实施例中，根据斜拉索3的减振设计需求，确定外置式阻尼器1的安装位置为距离桥面锚固点的斜拉索3的1％-4％长度处。

s3：根据斜拉索3的振动基频和外置式阻尼器1的安装位置确定安装位置处斜拉索的振动驻点频率。振动驻点频率为以外置式阻尼器1的安装位置为驻点的振动频率。

优选地，确定安装位置处斜拉索的振动驻点频率，具体包括：

根据公式确定外置式阻尼器安装位置比n；

根据公式确定外置式阻尼器1的安装位置处斜拉索的振动驻点频率fn；

其中，l1为斜拉索的锚固点到外置式阻尼器距离，l为斜拉索的长度，t为斜拉索的张拉力，m长斜拉索的线密度。fn为n阶振动频率。

在本实施例中，外置式阻尼器安装位置比n，四舍五入取整。

s4：根据外置式阻尼器1的安装位置处斜拉索的振动驻点频率，确定待安装的调谐质量阻尼器2的控制频率。

优选地，确定调谐质量阻尼器2的控制频率，具体包括：

s41：根据外置式阻尼器1安装位置处斜拉索3的振动驻点频率，确定待安装的调谐质量阻尼器2的控制频率。

优选地，调谐质量阻尼器2的控制频率范围为斜拉索的振动驻点频率前后三阶振动频率：斜拉索驻点位置的频率为第n阶，n-3和n+3驻点附近的斜拉索振动幅度很小，斜拉索外置式阻尼器减振效果也不明显，所以采用调谐质量阻尼器应覆盖该n阶前后三阶的振型，可以提高对整个斜拉索的减振效果。

s42：根据调谐质量阻尼器2的控制频率范围，确定待安装的调谐质量阻尼器2的控制频率。

优选地，根据公式和确定调谐质量阻尼器2的控制频率；

其中，f1'为调谐质量阻尼器2的第一个控制频率，f2'为调谐质量阻尼器2的第二个控制频率，e为钢绞线弹性模量，i为钢绞线抗弯刚度，m1为第一个质量块质量，l1为第一个质量块到索夹的距离，m2为第二个质量块质量，l2为第二个质量块到索夹的距离，且l2<l1，安装时，第二个质量位于上方。

m1和m2由斜拉索模态质量m和质量比μ确定，为达到斜拉索目标对手衰减了3％(阻尼器约为0.5％)，质量比取为0.05％，即m1和m2取为斜拉索模态质量的0.05％。通过确定质量块的质量，选定试用的钢绞线型号，从而根据公式确定l1和l2。

在本实施例中，使调谐质量阻尼器2的频率取最小范围的1.05倍，以及最大范围的0.95倍，可以使调谐质量阻尼器2控制的频率更广。

s5：根据外置式阻尼器的安装位置安装外置式阻尼器，并在锚固点到外置式阻尼器1之间的斜拉索上安装调谐质量阻尼器2。

综上所述，在使用该斜拉索组合减振方法时，在锚固点到外置式阻尼器1之间的斜拉索上设置调谐质量阻尼器2，调谐质量阻尼器2选用可满足一定范围内的宽频控制效果的阻尼器，满足超长斜拉索驻点附近前后三阶频率的减振要求，并采取一定的措施附着在斜拉索上。并且调谐质量阻尼器2安装方便，通过两种阻尼器的组合使用可以对斜拉索进行有效的全频段控制，解决超长斜拉索减振的难题。另外本发明同样适用于悬索桥长吊索、拱桥长吊杆等杆系结构的减振需求。

在斜拉索安装外置式阻尼器的基础上，安装多重调谐质量阻尼器，通过两种阻尼器组合减振的方法，达到斜拉索高频振动控制的效果，多重调谐质量阻尼器安装位置避开斜拉索振动驻点位置。能够解决斜拉索外置式阻尼器斜拉索外置式阻尼器对斜拉索高阶振动控制效果有限，高频振动易造成斜拉索阻尼器连接件的损伤及螺栓松动，因此，配套调谐质量阻尼器控制斜拉索高阶振动，可以有效的保护斜拉索外置式阻尼器，并达到很好的减振效果。本发明可用于斜拉索风致振动、参数振动的控制，同样适用于悬索桥吊索、拱桥吊杆等其他杆系结构的振动控制。

以某大跨度斜拉桥超长斜拉索减振控制为例说明，索长540.9m，斜拉索外径为0.2m，索力6774kn，每米索重100.8kg/m，拉索总重54.52吨，倾角25.39°，计算拉索基频为f1＝0.24hz，斜拉索外置式阻尼器安装位置比l1/l＝2.5％，故驻点处斜拉索振动阶次n＝1/2.5％＝40，振动频率fn＝40×0.24＝9.6hz，故tmd控制频率范围为(9.6-3*0.24,9.6+3*0.24)＝(8.88,10.32)hz，故tmd设计基频分别为8.88hz和10.32hz。斜拉索40阶模态质量为0.5*54.52吨＝27.26吨，根据规范规定斜拉索振动控制所需阻尼比为3％，通过优化计算设计tmd的质量比为1‰，故质量块总质量为27.26kg，单个质量块质量为13.63kg，根据单个质量块的质量和控制频率，可以对钢绞线进行选型，从而确定钢绞线的直径和长度，本实施方案提出的质量块和夹具均为锌铝合金材质，质量块和夹具直接浇筑在钢绞线上。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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