一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置

技术领域

本发明涉及桥梁减振控制技术领域，具体地，涉及一种用于桥梁施工减振的矩形水箱类型的MTLD装置。

背景技术

现代桥梁在建造过程中常采用悬臂施工方法，由于悬臂结构体系自身较柔，对风荷载作用敏感。在实际的桥梁施工过程中，风引起的桥梁横桥向水平振动幅度通常较大，风致桥梁振动不仅增加了桥梁连接部位疲劳破坏的风险，还直接威胁桥上施工人员和作业机具的安全。在强风地区进行的桥梁施工活动经常受到大幅度风致振动的不利影响而导致停工，如何低成本地对桥梁施工过程中的过大振动进行减振一直是备受关注的问题。

调谐液体阻尼器(TLD)是一种被动吸收能量的振动控制装置。通常它将内部灌注了液态水的水箱紧密地固定在桥梁结构上，在风荷载的作用下，振动的桥梁带动水箱内的水随之晃动，晃动水体的惯性力、波浪力、摩擦力反作用于桥梁结构，当水箱内的水体晃动频率与桥梁结构的固有振动频率接近或相等时，这些反作用力与桥梁结构运动方向相反，相当于在桥梁结构上增加了有效的阻尼，起到阻碍桥梁振动的作用，可以减小桥梁结构的振动响应。TLD是工程结构减振控制的有效方法，具有结构形式简单、成本低的特点，被广泛应用于工程结构的减振控制中。

TLD装置的水体晃动频率取决于水深，传统的TLD减振装置一般是单箱单室的矩形箱体，只具备单一的水深参数，在实际工程应用中很难将水箱水体的晃动频率与桥梁结构的固有频率严格保持一致，当二者频率偏差较大时会导致TLD装置调谐失效，使得减振控制效果大幅度降低。

发明内容

本发明目的是提供一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱多重调谐液体阻尼器(MTLD)装置，主要针对施工阶段的桥梁振动进行控制，旨在减小桥梁在风荷载作用下的振动反应，起到减振耗能的效果。本发明通过矩形水箱内三个独立箱室中各自水体的深度来控制MTLD减振装置的多个固有频率，从而使得桥梁结构的固有频率被包络覆盖其中，以解决现有单箱单室TLD水箱固有频率与桥梁结构受控频率之间因失谐导致减振效果不佳的问题，进而更加有效的控制桥梁的振动行为。该装置将桥梁振动的动能转化为水箱中水体晃动的动能和摩擦内能，从而起到减小桥梁振动幅度的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置，包括矩形水箱、安装在所述矩形水箱内部的两块分隔板、焊接在所述矩形水箱外部正立面的竖向支撑角钢和斜向支撑角钢、焊接在所述矩形水箱外部正立面和侧立面上缘的水平加劲角钢、焊接在所述矩形水箱外部顶面四角处的钢吊耳、焊接在所述矩形水箱外部底面的工字钢底座、安装在所述矩形水箱外部侧立面的进水管和排水管、灌注在所述矩形水箱内部的水体。

本发明提出了一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置。本发明利用共振效应并结合传统TLD减振原理，设计了三室矩形水箱MTLD减振装置，利用竖向隔板将矩形水箱内部分割为三个彼此独立的储水箱室，每个箱室内的水体具有不同的深度，等效于三个晃动频率不同的TLD减振装置，并将其安装在正在悬臂施工的桥梁上，实现对桥梁振动更稳定可靠的减振控制。

进一步的，所述矩形水箱内两块竖向平行布置的分隔板将矩形水箱等分为三个独立箱室，形成三个TLD减振结构，三个独立箱室里的水体彼此之间不连通。

进一步的，所述三个独立箱室内水体的深度可单独调节，分别通过控制对应的进水管和排水管实现。

进一步的，所述矩形水箱的横桥向长度L大于2米且小于3米，便于所述矩形水箱的工厂模块化批量制作。更大的横桥向长度不便于所述矩形水箱的车辆运输装载，而更小的横桥向长度则使得所述矩形水箱的储水量受限，制约了所述矩形水箱的减振能力。

进一步的，所述三个独立箱室中水体的深度各自不同，并按照深度从大到小的顺序排列为h

其中，g为重力加速度。

进一步的，所述矩形水箱的纵桥向长度B大于1米且小于2米，便于所述矩形水箱的工厂模块化批量制作。更大的纵桥向长度不便于所述矩形水箱的车辆运输装载，而更小的纵桥向长度则使得所述矩形水箱的储水量受限，制约了所述矩形水箱的减振能力。

进一步的，所述矩形水箱的高度H大于0.5米且小于1.5米，便于所述矩形水箱的工厂模块化批量制作。更大的高度不利于所述矩形水箱自身的振动稳定，而更小的高度则难以满足减振功能对箱室中水体最大深度h

进一步的，所述矩形水箱和分隔板选择不锈钢材质，并且表面设有防水防腐涂层。

进一步的，所述矩形水箱和分隔板厚度不小于2毫米，以保证在吊装移位及正常减振工作过程中所述矩形水箱具有足够的结构刚度。

进一步的，所述工字钢底座平面布置呈田字形，底部设置螺栓连接孔，所述螺栓连接孔用于所述工字钢底座与被减振桥梁梁体的牢固连接。

该装置固定于施工桥梁的悬臂端梁体上，在风荷载作用下，被控桥梁发生振动，带动矩形水箱内三个独立箱室中的水体一起晃动，并通过水箱内水体的晃动，桥梁振动的能量被水体晃动所产生的惯性力、波浪力、摩擦力消耗掉，从而实现对桥梁的减振控制。另外，分隔板的存在将矩形水箱等效分割成了三个独立的小型TLD减振装置，分别调节三个箱室内各自水体的深度，使得三个小型TLD减振装置具有不同的固有频率，使得被控桥梁的固有频率处于三室矩形水箱MTLD装置有效工作频率的包络范围内，从而实现更稳定可靠的减振效果。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点:

1)本发明通过调节水箱内的水体深度来调节水箱的固有频率，可以很方便地实现水箱的固有频率与桥梁施工过程中逐步变化的桥梁固有频率保持一致，从而实现预期的减振效果。

2)本发明可以独立调节三个箱室中的水体深度，以此来调节水箱MTLD装置的三个固有频率，当水箱中间频率等于桥梁固有频率，且水箱最大频率和最小频率分别为桥梁固有频率的1.1倍和0.9倍时，可以在保证减振效率的同时，极大的提升装置的减振稳定性和可靠性。

3)本发明的水箱结构简单，减振工作介质是液态水，能够循环使用，成本低廉。在非强风天气没有桥梁减振功能需求的时候，水箱中的水还可用作桥梁施工用水的备用水源和消防用水。相较于调谐质量阻尼器(TMD)来说，本发明具有明显的经济优势。

4)本发明的水箱便于安装，使用桥梁施工现场常见的吊装机械设备对水箱外部顶面四角的钢吊耳起吊，很容易实现水箱安装位置的调整，随着桥梁施工架设进度的逐步推进，始终将水箱位置调整至新架设的桥梁悬臂端梁体上，即可获得最佳减振效果。

5)本发明的水箱适合工业模块化制作，其减振效果与水箱数量近似呈线性关系，桥梁施工过程中可根据具体的工程减振目标选择合适的水箱数量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本发明一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置的三维示意图；

图2是本发明一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置的正视图；

图3是本发明一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置的侧视图；

图4是本发明一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置的俯视图；

图5是本发明一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置的工字钢底座俯视图；

图中：1-矩形水箱，2-分隔板，3-钢吊耳，4-竖向支撑角钢，5-斜向支撑角钢，6-水平加劲角钢，7-工字钢底座，8-进水管，9-排水管，10-水体。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参照图1所示，一种用于桥梁施工减振的三室矩形水箱MTLD装置，包括矩形水箱1、安装在所述矩形水箱1内部的两块分隔板2、焊接在所述矩形水箱1外部正立面的竖向支撑角钢4和斜向支撑角钢5、焊接在所述矩形水箱1外部正立面和侧立面上缘的水平加劲角钢6、焊接在所述矩形水箱1外部顶面四角处的钢吊耳3、焊接在所述矩形水箱1外部底面的工字钢底座7、安装在所述矩形水箱1外部侧立面的进水管8和排水管9、灌注在所述矩形水箱内部的水体10。

所述矩形水箱1内两块竖向平行布置的分隔板2将矩形水箱等分为三个独立箱室，形成三个TLD减振结构，所述分隔板2具有足够的隔水性和结构刚度，使得三个独立箱室里的水体10彼此之间不连通。

三个独立箱室内水体10的深度可单独调节，分别通过控制各自对应的进水管8和排水管9实现。

具体实施步骤如下：

某桥梁是一座中跨跨度为400m的双塔斜拉桥，边跨设置边墩和辅助墩，中跨采用悬臂施工的方式，自桥塔处逐步向跨中拼装架设。根据对施工过程进行结构设计计算，结果显示：当桥梁悬臂长度为100m时，其横桥向固有频率为0.5Hz；当桥梁悬臂长度为200m时，其横桥向固有频率为0.4Hz。

本实施例以对该桥梁这两个典型施工状态减振为例进行说明。

单个的三室矩形水箱横桥向长度2.0m，纵桥向长度1.5m，高度1.0m，矩形水箱和分隔板采用不锈钢材质，壁厚3mm。

当桥梁施工至悬臂长度为100m时，根据此时的桥梁横桥向固有频率0.5Hz和线性浅水波理论，按公式计算矩形水箱内三个独立箱室的水体深度分别为0.659m、0.485m、0.367m。通过进水管向中间箱室注水至0.659m深度，向两侧箱室分别注水至0.485m和0.367m深度，以减小水箱质量偏心，增加其自身的结构稳定性。利用吊装机械对三室矩形水箱外部顶面四角的钢吊耳起吊，将三室矩形水箱居中布置在桥梁悬臂端的梁体上，并将工字钢底座通过螺栓与桥梁梁体可靠连接。当有强风来袭，施加的三室矩形水箱MTLD装置可以有效地起到耗能减振作用，桥梁悬臂端横桥向振动的水平加速度峰值较不减振时下降了11.6％。

当桥梁进一步施工至悬臂长度为200m时，根据此时的桥梁横桥向固有频率0.4Hz和线性浅水波理论，按公式计算矩形水箱内三个独立箱室的水体深度分别为0.347m、0.278m、0.22m。通过排水管将中间箱室水体部分排出至水深为0.347m，通过排水管将两侧箱室水体分别调整至水深为0.278m和0.22m。利用吊装机械对三室矩形水箱外部顶面四角的钢吊耳起吊，将三室矩形水箱居中布置在桥梁悬臂端的梁体上，并将工字钢底座通过螺栓与桥梁梁体可靠连接。当有强风来袭，施加的三室矩形水箱MTLD装置可以有效地起到耗能减振作用，桥梁悬臂端横桥向振动的水平加速度峰值较不减振时下降了14.3％，保护了桥梁结构和施工人员机具的安全。

当风力较小时，不需要对桥梁进行减振控制，MTLD装置水箱中的水可充当施工用水或消防用水，有效解决桥面施工空间问题，且MTLD装置采用普通水源，费用较低，还可为桥梁施工作业提供备用水源与消防用水便利。

以上为本发明的一个典型实施例，尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。