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CN106702886A - 一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置 - Google Patents

一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置 Download PDF

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    • E01D19/00—Structural or constructional details of bridges

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Abstract

一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置，涉及桥梁减震器。设有结构固定箱、阻尼箱、阻尼粒子、大刚度减震弹簧、小刚度减震弹簧；所述适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置通过固定螺栓与减震结构相连或在进行土木工程时直接安装在桥墩、桥台、梁体和每一跨的上部结构中或梁底支点处；所述大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧与结构固定箱相连接，大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧设在阻尼箱的上部和四周，大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧配合组成可变刚度减震弹簧，阻尼粒子放置在阻尼箱内部。无需外部能量供给，安装简单易行，维护方便快捷，具有良好的经济性和普适性。

Description

一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置
技术领域
本发明涉及桥梁减震器，尤其是涉及一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置。
背景技术
当前桥梁减震领域应用广泛的有采用减隔震支座、利用桥墩延性减震等方法。目前研究得较多的减、隔震装置主要有叠层橡胶支座、聚四氟乙烯支座、铅芯橡胶支座等。聚四氟乙烯支座不具有向平衡位置的恢复力特性，使梁体与墩、台之间的相对位移很难控制。叠层橡胶支座可减小桥墩、台受到地震荷载的，但也增加了梁体与墩、台之间相对位移，具有一定局限性。利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常采用的方法。桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性，使之延长结构周期、耗散地震能量，但这一方式会大大增加桥梁的设计难度和施工成本。
粒子阻尼技术是一项振动被动控制新技术，是以阻尼耗能机理为理论基础，主要由填充在结构空腔中的粒子通过非弹性碰撞和摩擦作用提供阻尼效应。粒子阻尼技术具有抑振效果显著、耐高温恶劣环境、对原结构改动小、产生的附加质量小等优点。粒子阻尼的产生机理从能量的角度上来看，是指损耗振动能量的能力，也就是将机械振动及声振的能量，转变成热能或其他可以耗损的能量。将粒子阻尼技术引入桥梁减震领域可以延长上部结构的自振周期并给予结构较大的阻尼，可使桥梁进入塑性阶段以延长结构的周期，增加结构的柔性以延长结构的自振周期，有效代替桥梁结构承受地震强烈的位移动力，达到减小由于地震动所产生的地震荷载的目的；增加结构的阻尼或能量耗散能力以减小由于地震所引起的结构反应，特别适用于桥梁减震。
中国专利CN201801813U公开一种桥梁减震器，设置于拉索大桥的桥梁拉索根部，起减震作用。所述减震器包括金属圈和橡胶圈，所述金属圈由左半金属圈和右半金属圈左右对合构成，橡胶圈由左半橡胶圈和右半橡胶圈左右对合构成，在所述金属圈内壁面上设有一圈凹槽，相应于该凹槽，在所述橡胶圈外壁面上相应位置处设置有一与之相配合的凸缘；所述橡胶圈复合于金属圈内圈，且使所述凸缘嵌置于所述凹槽内。通过在拉索的根部安装本实用新型桥梁减震器，可以改变拉索的共振频率，控制振幅，抑制振动波的传播，减少材料的疲劳，减轻了拉索大桥由于风力及车辆产生的震动等因素影响，提高了拉索的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置。
本发明设有结构固定箱、阻尼箱、阻尼粒子、大刚度减震弹簧、小刚度减震弹簧；所述适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置通过固定螺栓与减震结构相连或在进行土木工程时直接安装在桥墩、桥台、梁体和每一跨的上部结构中或梁底支点处；所述大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧与结构固定箱相连接，大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧设在阻尼箱的上部和四周，大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧配合组成可变刚度减震弹簧，阻尼粒子放置在阻尼箱内部。
所述大刚度减震弹簧的刚度可为600～2000kg/cm，所述小刚度减震弹簧的刚度可为20～600kg/cm。
所述阻尼粒子可采用耐磨金属、耐磨非金属或耐磨高分子材料，阻尼粒子的粒径可为0.5～30mm，阻尼粒子的剖面水平投影面积占相应分区总面积的20％～90％，阻尼粒子的密度可为1.5～18.5×103kg/m3。
所述阻尼箱内部可用钢板分割成若干子空间，在子空间中放置一定数量的阻尼粒子。
当发生震动时，阻尼箱带动弹簧将机械能转化为弹性势能加以耗散，同时内部阻尼粒子发生碰撞摩擦进一步耗散系统震动能量。由于阻尼粒子具有万向性，可以有效对来自各个方向的震动起到减震的作用。采用变刚度减震弹簧能够有效减轻风振和地震带来的震动。
当桥梁发生风振时，风载荷造成的桥梁结构位移较小，由公式f＝kx知，若减震弹簧的倔强系数k过大则桥梁带动的阻尼器位移x也会较小，那么就不能起到有效的减震作用。因此，为了有效减轻风震，则应采用倔强系数k小的减震弹簧，以使阻尼器可以产生较大的位移，使阻尼粒子可以有效发挥减震作用。但当发生地震时，为了做到“大震不倒、小震不坏”，则应当使减震弹簧的倔强系数k尽量大。若倔强系数k小的话，则由公式f＝kx知，地震带动的阻尼器位移x过大，会超出减震弹簧的弹性极限而使之无法恢复自由长度，使与减震弹簧连接的阻尼器不能产生往复运动，大大降低了阻尼器减震的效率。
大刚度减震弹簧的刚度应在600～2000kg/cm范围内选取，小刚度减震弹簧的刚度应在20～600kg/cm范围内选取。如大刚度减震弹簧不在上述刚度范围内选择，则不能对地震起到有效减震作用；若小刚度减震弹簧不在上述刚度范围内选择，则不能对风振起到有效减震作用。同一侧排布不同刚度的减震弹簧组合时采取对称的方式排布。
本发明的优点在于：
将主要应用于机械减振领域的粒子阻尼减震技术应用于桥梁的减震中，具有减震频带宽和能量耗散快的优点，特别是采用了变刚度的减震弹簧，可针对桥梁面临的风振和地震两种不同类型的震动起到有效的减震效果，可有效将震动机械能转化为粒子间的摩擦耗能和弹簧的弹性势能。无需外部能量供给，安装简单易行，维护方便快捷，具有良好的经济性和普适性。
附图说明
图1为本发明的纵剖面图。
图2为本发明的俯剖视图。
图3为本发明的侧视图。
图4为阻尼箱的剖视图。
图5为本发明实际运用在一种类型的桥梁上实例的立面图。
图6为本发明实际运用在另一种类型的桥梁上实例的横截面图。
具体实施方式
如图1～6所示，本发明实施例设有结构固定箱1、阻尼箱2、阻尼粒子3、大刚度减震弹簧4、小刚度减震弹簧5；所述适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置通过固定螺栓与减震结构相连或在进行土木工程时直接安装在桥墩、桥台、梁体和每一跨的上部结构中或梁底支点处；所述大刚度减震弹簧4和小刚度减震弹簧5与结构固定箱1相连接，大刚度减震弹簧4和小刚度减震弹簧5设在阻尼箱2的上部和四周，大刚度减震弹簧4和小刚度减震弹簧5配合组成可变刚度减震弹簧，阻尼粒子3放置在阻尼箱2内部。
所述大刚度减震弹簧4的刚度可为600～2000kg/cm，所述小刚度减震弹簧5的刚度可为20～600kg/cm。
所述阻尼粒子3可采用耐磨金属、耐磨非金属或耐磨高分子材料，阻尼粒子3的粒径可为0.5～30mm，阻尼粒子3的剖面水平投影面积占相应分区总面积的20％～90％，阻尼粒子3的密度可为1.5～18.5×103kg/m3。
所述阻尼箱内部可用钢板分割成若干子空间，在子空间中放置一定数量的阻尼粒子。
结构固定箱1为钢制，通过固定螺栓与减震结构相连或者在进行土木工程时直接安装在桥墩、桥台、梁体和每一跨的上部结构中或梁底支点处。若采用螺栓固定，则建议选用摩擦型高强螺栓。同时建议，如果条件允许应在延性塑性铰区域内配有足够的横向钢筋，不至于产生过大的剪切裂缝。当桥梁发生震动时，桥梁带动结构固定箱1发生震动，使连接结构固定箱1和阻尼箱2之间的大刚度减震弹簧4、小刚度减震弹簧5发生弹性形变，将震动产生的机械能转化为弹簧的弹性势能，同时大刚度减震弹簧4、小刚度减震弹簧5带动阻尼箱2中的阻尼粒子3震动，进一步将震动机械能通过阻尼粒子之间摩擦耗散。阻尼箱2是由厚度为4mm的不锈钢板焊接而成，尺寸根据实际情况确定，图中对阻尼箱2内部的分隔方式仅为实际运用中的一种，实际运用时应根据工程具体情况仿真计算后确定。阻尼粒子3耐磨金属、耐磨非金属或耐磨高分子材料，所选粒径在0.5～30mm之间，不同粒子和混合搭配，阻尼粒子3水平投影面积占相应区域的20％～90％，密度设置为1.5～18.5×103kg/m3。大刚度减震弹簧4的刚度应在600～2000kg/cm范围内选取，小刚度减震弹簧5的刚度应在20～600kg/cm范围内选取。同一侧排布不同刚度的减震弹簧组合时采取对称的方式排布。当桥梁遭遇风振时，小刚度减震弹簧5发生弹性形变，有效减轻桥梁震动；当发生地震时，大刚度减震弹簧4发生弹性形变，可有效减轻桥梁震动。
在图5和6中，标记A代表本发明所述适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置。

Claims (7)

1.一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置，其特征在于设有结构固定箱、阻尼箱、阻尼粒子、大刚度减震弹簧、小刚度减震弹簧；所述适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置通过固定螺栓与减震结构相连或在进行土木工程时直接安装在桥墩、桥台、梁体和每一跨的上部结构中或梁底支点处；所述大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧与结构固定箱相连接，大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧设在阻尼箱的上部和四周，大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧配合组成可变刚度减震弹簧，阻尼粒子放置在阻尼箱内部。
2.如权利要求1所述一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置，其特征在于所述大刚度减震弹簧的刚度为600～2000kg/cm，所述小刚度减震弹簧的刚度为20～600kg/cm。
3.如权利要求1所述一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置，其特征在于所述阻尼粒子采用耐磨金属、耐磨非金属或耐磨高分子材料。
4.如权利要求1或3所述一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置，其特征在于所述阻尼粒子的粒径为0.5～30mm。
5.如权利要求1所述一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置，其特征在于所述阻尼粒子的剖面水平投影面积占相应分区总面积的20％～90％。
6.如权利要求1或5所述一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置，其特征在于所述阻尼粒子的密度为1.5～18.5×103kg/m3。
7.如权利要求1所述一种适用于桥梁的可变刚度粒子阻尼减震装置，其特征在于所述阻尼箱内部用钢板分割成若干子空间，在子空间中放置阻尼粒子。
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Denomination of invention: A Variable Stiffness Particle Damping Seismic Reduction Device Suitable for Bridges

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Pledgee: China Everbright Bank Limited by Share Ltd. Xiamen branch

Pledgor: Xiamen Huanji High Tech Co.,Ltd.

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