一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，尤其是涉及一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统。

背景技术

索结构在桥梁工程、大跨和高耸建筑结构工程中应用广泛，是大型结构的关键构件，其具有轴向受力大、长度大等特点。随着结构和桥梁工程的发展，索结构的跨度仍在不断创造新的纪录。例如，2009年开通的苏通长江公路大桥其最长拉索首次超过500m达到577m，在建的常泰长江公铁大桥和巢马城际铁路马鞍山公铁两用长江大桥的斜拉索将首次超过600m，在建迪拜湾塔采用的拉索长度超过700m。超长拉索横向刚度小、自身阻尼低，容易出现面内(拉索所在竖向平面)和面外(垂直于拉索所在竖向平面的方向)的振动，均需要采用气动措施结合阻尼器的振动控制方案。

现有桥梁长拉索大都采用外置阻尼器的方案，常用阻尼器包括粘滞阻尼器、粘性剪切阻尼器、高阻尼橡胶阻尼器、摩擦阻尼器、磁流变阻尼器和电涡流阻尼器等。阻尼器对拉索的减振效果主要采用其对拉索的附加阻尼来衡量，附加阻尼主要受到其安装位置的限制。阻尼效果随与阻尼器与相近索锚固点的距离与索总长之比的增大而增大，一般阻尼器的安装位置在2～3％索长。随着索长的增大，阻尼器的实际安装高度增加，例如某597m斜拉索的阻尼器安装高度已经超过了7m，如此大的安装高度带来了安装、检测和维护的一系列难题。为了支撑斜拉索长度的发展，研发拉索-阻尼器附加阻尼效果提升技术，降低阻尼器安装高度具有重要工程意义。

现有研究已经提出了一些基于惯容器和负刚度机制提升阻尼器效果的理论方法，尚缺乏有效实用的拉索阻尼增强技术方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，为拉索面内外振动控制提供一种新方案，有效降低阻尼器安装高度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，用于控制拉索主体的振动，包括立柱、横梁、负刚度组件、阻尼器和连接杆，

所述横梁设置于立柱上方，所述阻尼器设置于横梁远离立柱的一侧，包括第一阻尼器和第二阻尼器，所述第一阻尼器的一个端部通过第一铰耳与横梁相连接，另一个端部与拉索主体相连接，所述第二阻尼器的一个端部通过第二铰耳与横梁相连接，另一个端部与拉索主体相连接，所述负刚度组件设置于第一铰耳和第二铰耳之间；

所述负刚度组件包括放大杠杆、固定板、压缩弹簧、导杆和导向管；所述放大杠杆的一个端部与第一铰耳相连接，另一个端部与固定板相连接，

所述导杆的一个端部与第二铰耳相连接，所述导向管套设于导杆外表面，并与导杆活动连接，所述压缩弹簧套设于导杆外侧，一个端部与固定板相连接，另一个端部与导向管相连接，

所述连接杆的一个端部与放大杠杆相连接，另一个端部与拉索主体相连接。

本发明中，拉索主体未振动时，连接杆沿其长度方向的中轴线与放大杠杆沿其长度方向的中轴线垂直；

拉索主体在风等动力荷载作用下发生竖直方向(面内)和水平垂直于索所在竖直平面方向(面外)振动时，通过连接杆带动放大杠杆绕第一铰耳上的球铰转动，同时压缩弹簧绕第二铰耳上的球铰转动，压缩弹簧内部的预压力产生垂直于横梁轴线方向的推力，产生推动拉索主体继续运动的力，实现负刚度效果；

拉索主体发生面内和面外振动时，带动阻尼器伸长或者压缩，产生阻尼力。

本发明中，负刚度组件设置在第一铰耳和第二铰耳之间，负刚度组件与阻尼器形成并联系统，提升拉索整体振动的阻尼，实现振动控制。

在本发明的一个实施方式中，导向管靠近固定板时，压缩弹簧受压缩短；通过调节第一铰耳和第二铰耳之间的间距，可以调节压缩弹簧的长度和初始压力。

在本发明的一个实施方式中，所述放大杠杆上设置有中间孔，所述连接杆通过中间孔与中间孔与放大杠杆相连接。

在本发明的一个实施方式中，所述中间孔设置于横梁沿其长度方向的中间位置的正上方。

在本发明的一个实施方式中，所述拉索主体外表面设置有索夹，索夹包括两个半索夹，两个半索夹通过螺栓组件固定。

在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器与半索夹通过球铰相连接，所述连接杆与半索夹通过球铰相连接。

在本发明的一个实施方式中，所述放大杠杆与第一铰耳、固定板分别通过球铰连接，所述导杆与第二铰耳通过球铰连接。

在本发明的一个实施方式中，所述横梁沿其长度方向的中轴线与立柱沿其高度方向的中轴线垂直，与拉索主体所在竖直面垂直。

在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器选自粘滞阻尼器、黏性剪切阻尼器或摩擦阻尼器中的一种。

在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器的中轴线与拉索主体中轴线垂直，与拉索主体所在的竖直平面的夹角为10°至80°。

在本发明的一个实施方式中，所述立柱位于横梁沿其长度方向的中间位置。

在本发明的一个实施方式中，拉索主体面内振动时负刚度组件的刚度系数k

其中f

考虑连接杆的刚度系数为k时，负刚度组件对索面内振动的负刚度系数为

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，在拉索发生面内面外两方向振动时，均提供负刚度和阻尼效果，相比现有阻尼器方案，通过负刚度实现阻尼效果的提升，或者在满足给定阻尼需求时降低阻尼器安装高度；

(2)本发明提出的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统中负刚度组件设置与现有阻尼器支撑横梁相结合，与阻尼器系统形成一个整体，具有良好的美观性；

(3)本发明提出的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，压缩弹簧的初始长度可以通过设计放大杠杆的长度调节，满足不同的拉索或者拉索在安装和使用的不同阶段的振动控制需求；

(4)本发明提出的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，负刚度组件在横梁外部设置，便于调整、维护和检修，有足够的空间设置较长的放大杠杆提升负刚度效果。

附图说明

图1为一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统的正视图；

图2为一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统的侧视图；

图3为一种拉吊索一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统中负刚度组件的力学分析图示(拉索未振动)；

图4为一种拉吊索一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统与拉索整体的阻尼分析模型；

图5为实施例1中采用外置负刚度阻尼系统前后的拉索阻尼提升效果；

图中标号：1、拉索主体；2、横梁；3、立柱；4、阻尼器；5、连接杆；6、第一铰耳；7、第二铰耳；8、放大杠杆；9、中间孔；10、固定板；11、压缩弹簧；12、导杆；13、导向管；14、半索夹；15、螺栓组件。

具体实施方式

本发明提供一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，用于控制拉索主体的振动，包括立柱、横梁、负刚度组件、阻尼器和连接杆，

所述横梁设置于立柱上方，所述阻尼器设置于横梁远离立柱的一侧，包括第一阻尼器和第二阻尼器，所述第一阻尼器的一个端部通过第一铰耳与横梁相连接，另一个端部与拉索主体相连接，所述第二阻尼器的一个端部通过第二铰耳与横梁相连接，另一个端部与拉索主体相连接，所述负刚度组件设置于第一铰耳和第二铰耳之间；

所述负刚度组件包括放大杠杆、固定板、压缩弹簧、导杆和导向管；所述放大杠杆的一个端部与第一铰耳相连接，另一个端部与固定板相连接，

所述导杆的一个端部与第二铰耳相连接，所述导向管套设于导杆外表面，并与导杆活动连接，所述压缩弹簧套设于导杆外侧，一个端部与固定板相连接，另一个端部与导向管相连接，

所述连接杆的一个端部与放大杠杆相连接，另一个端部与拉索主体相连接。

本发明中，拉索主体未振动时，连接杆沿其长度方向的中轴线与放大杠杆沿其长度方向的中轴线垂直；

拉索主体在风等动力荷载作用下发生竖直方向(面内)和水平垂直于索所在竖直平面方向(面外)振动时，通过连接杆带动放大杠杆绕第一铰耳上的球铰转动，同时压缩弹簧绕第二铰耳上的球铰转动，压缩弹簧内部的预压力产生垂直于横梁轴线方向的推力，产生推动拉索主体继续运动的力，实现负刚度效果；

拉索主体发生面内和面外振动时，带动阻尼器伸长或者压缩，产生阻尼力。

本发明中，负刚度组件设置在第一铰耳和第二铰耳之间，负刚度组件与阻尼器形成并联系统，提升拉索整体振动的阻尼，实现振动控制。

在本发明的一个实施方式中，导向管靠近固定板时，压缩弹簧受压缩短；通过调节第一铰耳和第二铰耳之间的间距，可以调节压缩弹簧的长度和初始压力。

在本发明的一个实施方式中，所述放大杠杆上设置有中间孔，所述连接杆通过中间孔与中间孔与放大杠杆相连接。

在本发明的一个实施方式中，所述中间孔设置于横梁沿其长度方向的中间位置的正上方。

在本发明的一个实施方式中，所述拉索主体外表面设置有索夹，索夹包括两个半索夹，两个半索夹通过螺栓组件固定。

在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器与半索夹通过球铰相连接，所述连接杆与半索夹通过球铰相连接。

在本发明的一个实施方式中，所述放大杠杆与第一铰耳、固定板分别通过球铰连接，所述导杆与第二铰耳通过球铰连接。

在本发明的一个实施方式中，所述横梁沿其长度方向的中轴线与立柱沿其高度方向的中轴线垂直，与拉索主体所在竖直面垂直。

在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器选自粘滞阻尼器、黏性剪切阻尼器或摩擦阻尼器中的一种。

在本发明的一个实施方式中，所述阻尼器的中轴线与拉索主体中轴线垂直，与拉索主体所在的竖直平面的夹角为10°至80°。

在本发明的一个实施方式中，所述立柱位于横梁沿其长度方向的中间位置。

在本发明的一个实施方式中，拉索主体面内振动时负刚度组件的刚度系数k

其中f

考虑连接杆的刚度系数为k时，负刚度组件对索面内振动的负刚度系数为

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例1

本实施例提供一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，用于控制拉索主体1的振动，如图1和图2所示，包括立柱3、横梁2、负刚度组件、阻尼器4和连接杆5，

拉索主体1外表面设置有索夹，索夹包括两个半索夹14，两个半索夹14通过螺栓组件15固定；横梁2设置于立柱3上方，阻尼器4设置于横梁2远离立柱3的一侧，包括第一阻尼器4和第二阻尼器4，第一阻尼器4的一个端部通过第一铰耳6与横梁2相连接，另一个端部通过球铰与半索夹14相连接，第二阻尼器4的一个端部通过第二铰耳7与横梁2相连接，另一个端部通过球铰与半索夹14相连接，负刚度组件设置于第一铰耳6和第二铰耳7之间；负刚度组件包括放大杠杆8、固定板10、压缩弹簧11、导杆12和导向管13；放大杠杆8的一个端部通过球铰与第一铰耳6相连接，另一个端部通过球铰与固定板10相连接，导杆12的一个端部通过球铰与第二铰耳7相连接，导向管13套设于导杆12外表面，并与导杆12活动连接，压缩弹簧11套设于导杆12外侧，一个端部与固定板10相连接，另一个端部与导向管13相连接，放大杠杆8上设置有中间孔9，中间孔9设置于横梁2沿其长度方向的中间位置的正上方，连接的一个端部通过中间孔9与中间孔9与放大杠杆8相连接，另一个端部与拉索主体1相连接；立柱3位于横梁2沿其长度方向的中间位置，横梁2沿其长度方向的中轴线与立柱3沿其高度方向的中轴线垂直，与拉索主体1所在竖直面垂直；阻尼器4的中轴线与拉索主体1中轴线垂直，与拉索主体1所在的竖直平面的夹角为10°至80°。

其中，阻尼器4选自粘滞阻尼器、黏性剪切阻尼器或摩擦阻尼器中的一种。

本实施例中，负刚度组件设置在第一铰耳6和第二铰耳7之间，负刚度组件与阻尼器4形成并联系统，提升拉索整体振动的阻尼，实现振动控制；导向管13靠近固定板10时，压缩弹簧11受压缩短；通过调节第一铰耳6和第二铰耳7之间的间距，可以调节压缩弹簧11的长度和初始压力。

拉索主体1未振动时，连接杆5沿其长度方向的中轴线与放大杠杆8沿其长度方向的中轴线垂直；

拉索主体1在风等动力荷载作用下发生竖直方向(面内)和水平垂直于拉索主体1所在竖直平面方向(面外)振动时，通过连接杆5带动放大杠杆8绕第二铰耳7上的球铰转动，同时压缩弹簧11绕第一铰耳6上的球铰转动，压缩弹簧11内部的预压力产生垂直于横梁2轴线方向的推力，产生推动拉索主体1继续运动的力，实现负刚度效果；

拉索主体1发生面内和面外振动时，带动阻尼器4伸长或者压缩，产生阻尼力。

如图3所示，在初始安装位置(拉索未振动)，f

拉索发生振动时，连接杆5带动放大杠杆8偏离初始位置，产生推动拉索主体继续运动的力。拉索主体1面内振动时且所述的连接杆5为刚性时，负刚度组件的刚度系数k

所述的连接杆5的刚度系数为k时，组件对索面内振动的负刚度系数为：

按如下表1设计负刚度组件的尺寸，考虑连接杆5刚度为无穷大。

表1实施例中的负刚度组件系数

本实施例中考虑的拉索参数如表2所示。

表2实施例中的拉索参数

阻尼器可以不失一般性的等效为一个粘滞单元(粘滞系数c

其中，

根据表1所示的负刚度组件系数和表2的拉索参数，利用上述公式可以分析调整阻尼器系数，拉索任意一阶模态阻尼比能实现的最大值。本实施例中考虑粘滞阻尼器，其刚度可以忽略不计，即k

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的解释，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。