一种可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置

技术领域

本发明属于桥梁工程涡激共振控制技术领域，涉及一种可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置。

背景技术

涡激共振是一种在平均风作用下，结构物断面后产生交替脱落的漩涡，从而引起结构物共振的现象。桥梁的涡激共振是一种兼具有自激振动和强迫振动特性的有限振幅振动，其振动具有类正弦函数特性，在斜拉桥和悬索桥中该现象尤其普遍。涡激共振虽然在桥梁设计满足要求时一般不会造成桥梁结构的破坏，但是产生的振动会产生较大的结构变形，对行车舒适性和结构耐久性有很大的负面影响，同时导致社会大众对于桥梁安全性提出质疑。

专利CN205015750U公开了一种桥梁共振控制系统，包括桥梁以及设置在桥梁上的调频质量阻尼器，该阻尼器的参数根据桥梁的竖向振动特性确定。

对于大跨径桥梁结构，常常会遇到各种不同振动模态的涡激共振，而传统的固定式调谐质量阻尼器(TMD)所能控制的振型有限，为了控制所有振动模态的涡激共振，需要更多的阻尼器，代价高；其次，固定式质量阻尼器不能保证作用在振幅最大点，无法对各个振型都取得最佳控制效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的大跨径桥梁不同模态涡激共振的至少一种缺陷而提供一种可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置，本发明将载重车和主动控制阻尼器结合，通过载重车实现主动控制阻尼器能够在桥梁结构的任意位置移动并发挥作用；主动控制阻尼器通过加速度计测量桥梁振动频率，装载质量阻尼，利用推杆推动质量阻尼做同频率正弦运动产生反向力，从而达到抑制不同模态振动的效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一在于，提供一种可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置，该装置包括载重车以及载重车上的主动控制阻尼器，所述的载重车包括车体，该车体上设有限位杆，所述的主动控制阻尼器包括质量阻尼、推杆和加速度计，所述的限位杆嵌入质量阻尼，所述的推杆连接质量阻尼。

作为优选的技术方案，所述的载重车为平板车，用于移动状态下承载主动控制阻尼器，并实现在桥上移动。

作为优选的技术方案，所述的质量阻尼为金属制重物，可以根据桥梁规模和可能的震动模态来选择适应桥型的质量。

进一步地，所述的推杆与质量阻尼连接的一端设有球铰，所述的推杆绕球铰旋转。

进一步地，所述的推杆另一端为伸缩段，该伸缩段撑地端设有垫块。

作为优选的技术方案，所述的垫块宜采用合成橡胶、合成树脂或炭/炭(C/C)复合材料等有较大摩阻力的材料，所述的垫块设有防滑纹，以保证工作时的稳定性。

进一步地，所述的推杆为电动的大推力伸缩设备，用于推动质量阻尼。

进一步地，所述的主动控制阻尼器包括控制系统，具有数据处理功能，能够识别桥梁涡激共振的振动频率。

作为优选的技术方案，所述的控制系统上设有交互界面，可以方便人机交互。

进一步地，所述的推杆设有数据接口，通过数据线与控制系统连接，用以接受控制系统的信号。

进一步地，所述的加速度计通过数据线与控制系统连接，用于测量桥梁竖向运动的加速度。

作为优选的技术方案，所述的主动控制阻尼器采用供电电池为电力设备供能。

进一步地，所述的车体顶面边缘设有挡板。

作为优选的技术方案，所述的车体顶面设有限位杆，用于保证主动控制阻尼器不会侧翻、滑落。

作为优选的技术方案，所述的车体底部设有车轮。

进一步地，所述的车体和挡板侧面设有车辆连接装置，用于连接拖车和载重车，使拖车能够牵引载重车移动。

进一步地，所述的质量阻尼顶部设有吊点，通过起吊吊点安装质量阻尼至车体上。

本发明自适应地对桥梁振动进行抑制，特别是大跨径桥梁在不同环境下发生不同模态的涡激共振时。

本发明将载重车和主动控制阻尼器结合，利用载重车可灵活移动的特点，能够实现在桥梁任何位置进行涡激共振的抑制工作，达到最佳的控制效果。

本发明的控制系统能够利用加速度计测量的桥梁涡激共振竖向运动数据，向推杆传输信号，使其产生对应频率的抑制作用力，对不同频率、不同模态的桥梁涡激共振都能够进行抑制。

抑制反作用力F最大能够达到：

F＝4π

其中：F—抑制力；

m—质量阻尼的质量；

A—电动推杆的最大行程；

f

本发明的车载质量阻尼可以根据涡激共振的振幅和阶数，选择合理的质量进行控制，保证在装置位于最大振幅点时，能够有效合理地对桥梁进行减振限振。

本发明利用控制系统的智能化、自动化数据处理和操作，减低人为操作成本，提高工作效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过载重车在桥梁上移动，实现在桥梁任意位置施加抑制作用力；

(2)本发明通过加速度计测量桥梁涡激共振频率；

(3)本发明根据加速度计测量数据，利用推杆推动质量阻尼产生反向作用力，实现适应不同振动频率的抑制效果；

(4)本发明通过限位杆保证主动控制阻尼器不会侧翻、滑落；

(5)本发明的车体和质量阻尼可通过起吊吊点分离，方案灵活性强；

(6)本发明采用控制系统，降低操作成本。

附图说明

图1为本发明实施例中可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置移动状态的侧视示意图；

图2为本发明实施例中可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置移动状态的断面示意图；

图3为本发明实施例中可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置工作状态的侧视示意图；

图4为本发明实施例中可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置工作状态的断面示意图；

图5为本发明实施例中多个可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置协同作用的原理示意图。

图中标记说明：

1—车体、2—车辆连接装置、3—车轮、4—挡板、5—限位杆、6—质量阻尼、7—推杆、8—控制系统、9—加速度计、10—供电电池、11—数据接口、12—数据线、13—交互界面、14—伸缩段、15—球铰、16—垫块、17—吊点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

一种可移动桥梁用涡激共振车载主动控制装置，如图1至4所示，主要由两部分组成：载重车和主动控制阻尼器。

载重车为一平板车，用于移动状态下承载主动控制阻尼器，并实现在桥上移动，其基本组成有车体1、车辆连接装置2、车轮3、挡板4和限位杆5。车体1底部设有前后各两对车轮3，车体1顶面边缘设有挡板4，车体1顶面设有四对均匀间隔的限位杆5，车体1和挡板4侧面设有车辆连接装置2。车辆连接装置2用于连接拖车和载重车，使拖车能够牵引载重车移动。挡板4和限位杆5用于保证主动控制阻尼器不会侧翻、滑落。

主动控制阻尼器由质量阻尼6、前后各两对推杆7、控制系统8、加速度计9和供电电池10组成。质量阻尼6为金属制重物，可以根据桥梁规模和可能的震动模态来选择适应桥型的质量。推杆7为电动的大推力伸缩设备，用于推动质量阻尼6，每个推杆7都具有数据接口11用以接受控制系统8的信号。加速度计9通过数据线12与控制系统8连接，用于测量桥梁竖向运动的加速度；控制系统8具有数据处理功能，其交互界面13可以方便人机交互，控制系统8能够识别桥梁涡激共振的振动频率，并通过数据线12与推杆7连接。供电电池10为所有上述电力装置供能。

如图1和2所示，在桥梁未发生涡激共振时，装置处于移动状态下，主动控制阻尼器处于关闭状态。此时，质量阻尼6的底面和车体1顶面重合，限位杆5完全嵌入质量阻尼6，保证主动控制阻尼器不会侧翻；推杆7处于收起状态，水平置于质量阻尼6两侧，其伸缩段14长度为最小值。载重车装载主动控制阻尼器停放在不影响行车的位置。

桥梁发生涡激共振时，首先根据其他桥梁监测系统的振动模态数据，通过拖车牵引载重车将装置运送至全桥振幅最大点或控制效果最佳点，再启动控制系统8进入预备模式。如图3和4所示，推杆7绕球铰15缓慢旋转下放，伸缩段14长度伸长，其撑地端通过垫块16置于桥面上。垫块16宜采用合成橡胶、合成树脂或炭/炭(C/C)复合材料等有较大摩阻力的材料并设有防滑纹，以保证工作时的稳定性，在本实施例中优选为合成橡胶。推杆7抬升质量阻尼6脱离车体1至预备位置。检测导线连接和装置部件连接、固定状况完好，即可开启控制系统8的工作模式，此时装置进入工作状态。

进入工作状态后，质量阻尼6利用推杆7支承于地面，底面离开车体1，限位杆5始终保持有一部分在质量阻尼6内，使得质量阻尼6只沿竖向运动，保证稳定性。加速度计9测量桥面竖向运动加速度，并将数据传输至控制系统8，控制系统8进行数据处理，并依据所得结果同步操作推杆7，推杆7通过控制顶推力(顶推力小于质量阻尼6的重力)输出正弦变化的竖向力，给予桥梁反向于其位移反力，达到抑制涡激共振的效果。在此过程中，质量阻尼6相对桥面做同频率上下振动。抑制反作用力F最大能够达到：

F＝4π

其中：F—抑制力；

m—质量阻尼的质量；

A—电动推杆的最大行程；

f

工作结束后，关闭控制系统8的工作模式，推杆7停止伸缩，质量阻尼6随之停止振动。通过控制系统8操作推杆7缓慢带动质量阻尼6下降至车体1上，并使限位杆5完全嵌入质量阻尼6。解除推杆7和桥面的连接，关闭控制系统8，推杆7自动向上收起，回到水平放置位置。重新用拖车牵引载重车行驶至不影响行车的位置。

初次工作时，需要选择合理质量的质量阻尼6，将其通过起吊其顶部两个吊点17安装至车体1上。每次结束工作前检查供电电池10电量，必要时更换电池。

对于一座特定桥梁，可以按需配备数个装置。在桥梁发生不同振动模态的涡激共振时，将各装置设置在振幅的极大值点，力求达到最佳的控制效果。装置的设置应当根据装置数量和桥梁振动模态的关系合理设置，如图5所示，当一悬索桥配备3个装置时，各振动模态下合理设置，此时3个装置协同作用，布置合理，控制效果最优。当振幅极大值点的数量为3个，恰好和装置数量一致时，在每个振幅极大值点处均设置控制装置；当振幅极大值点的数量为2个，小于装置数量时，可以在两极大值点中振幅较大处设置2个装置，另一处仅设置1个装置；当振幅极大值点的数量大于装置数量时，选择振幅最大的3个极大值点，设置控制装置。这样设置能够保证装置始终设置在桥梁振幅最大的区域，达到最好的控制效果。

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揭示，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。