基于环形TMD的高架桥减振系统

基于环形tmd的高架桥减振系统
技术领域
1.本发明涉及交通桥墩技术领域，尤其涉及基于环形tmd的高架桥减振系统。


背景技术：

2.随着我国经济快速发展、人口持续增长，城市地面交通愈发拥挤，为缓解城市交通压力，城市交通形式变得愈发丰富。现如今除了常规的路面交通以外，城市高架桥也逐渐成为主要的交通形式，尤其是在人口密集、交通紧张的城市地区随处可见，如重庆、上海、杭州等地。由交通荷载引发的振动、噪声污染已被列为七大环境公害之一，而城市地面用地紧张，现有许多城市高架桥线路近距离从居民住宅区、医院、实验室等振动、噪声敏感单位穿过，对各种人员的工作、生活和学习造成了较大影响。此外，科研所用的精密仪器对于振动幅度的要求极高，若高架桥穿过高教园区，也会对这些仪器产生影响。高架桥作为城市高空交通的重要载体，在修建时设计师们通常在高架桥桥面两侧设置透明围挡以减少直接噪声污染。虽然桥面两侧的透明围挡对于桥面车辆鸣笛、轮轨直接辐射噪声等有着较好的阻挡效果，但另一方面，桥面车辆作为典型的移动源还会引起桥墩振动，桥墩振动会通过固体和空气两个媒介以辐射噪声的形式向外传播，进而对周边居民的正常学习生活产生干扰。同时，高架桥普遍达到十几米甚至几十米，若桥面发生较大的振动引起桥墩振动，还会影响周围建筑物的稳定。综上，桥墩减振的重要性不言而喻。
3.为减轻车辆在高架桥桥面行驶对桥墩造成的振动，现如今应用更多的是在桥面与桥墩之间设计减振措施。虽然在桥面与桥墩的连接处设计减振措施，并使减振系统和整个高架桥合为一体有一定效果，但连接处措施发生故障往往会使桥梁的整体性受到破坏，直接影响到人们的出行安全以及周边居民的居住安全。再者，当减振系统设备老化需要更换时，操作会比较复杂，而且还会影响桥面交通。此外，现如今的桥墩减振大多是针对于横向振动，而桥墩除了会在横向产生振动外还会产生竖向振动，竖向振动通过桥墩传导至地基，同样会引起周边建筑物振动，对居民产生影响。


技术实现要素：

4.为克服上述问题，本发明提供一种适用于高架桥的基于环形tmd的高架桥减振系统。
5.本发明采用的技术方案是：基于环形tmd的高架桥减振系统，包括上下设置在桥墩上的环形抱箍和环形质量块，环形质量块和环形抱箍之间连接有钢丝绳；
6.所述环形抱箍沿周向等分为四个弧形抱箍片，四个弧形抱箍片相互靠近的端面设有连接耳板，通过在连接耳板上设置螺栓将四个弧形抱箍片组合连接成一个整体的环形抱箍；环形抱箍箍紧于桥墩上，每个弧形抱箍片的外侧设有一个牛腿ⅰ；
7.所述环形质量块的内侧设有环形的内包连接软钢板，环形的内包连接软钢板沿周向等分为四个弧形连接软钢板，四个弧形连接软钢板相互靠近的端面设有安装耳板，通过在安装耳板上设置螺栓将四个弧形连接软钢板组合连接成一个整体的内包连接软钢板；内
包连接软钢板箍紧于桥墩上，每个弧形连接软钢板的外侧设有第一弹簧垫块和第一阻尼垫块；
8.所述环形质量块沿周向等分为四个弧形质量块，四个弧形质量块相互靠近的端面设有耳板，通过在耳板上设置螺栓将四个弧形质量块组合连接成一个整体的环形质量块；每个弧形质量块的内侧与第一弹簧垫块和第一阻尼垫块相对应的位置设有第二弹簧垫块和第二阻尼垫块；第一弹簧垫块和第二弹簧垫块之间连接有弹簧，第一阻尼垫块和第二阻尼垫块之间连接有阻尼器；每个弧形质量块的外侧与牛腿ⅰ相对应的位置设有牛腿ⅱ，牛腿ⅰ与牛腿ⅱ之间连接有钢丝绳。
9.进一步，所述每个弧形连接软钢板外侧的第一弹簧垫块的数量为四个，四个第一弹簧垫块两两一组对称分布在第一阻尼垫块两侧，每组两个第一弹簧垫块呈上下布置；每个弧形质量块的内侧与四个第一弹簧垫块相对应的位置设有四个第二弹簧垫块。
10.进一步，所述牛腿ⅰ和牛腿ⅱ上设有用于连接钢丝绳的孔洞，钢丝绳的两端分别设有用于防止摩擦的钢丝绳套筒和能够将钢丝绳固定在孔洞内的楔形套筒；钢丝绳与水平面的夹角范围为65
°
～75
°
。
11.进一步，所述阻尼器是粘滞阻尼器，阻尼器的两端分别设有用于与第一阻尼垫块、第二阻尼垫块连接的阻尼器连接件，阻尼器连接件包括阻尼器平行连接板和阻尼连接螺栓，阻尼器平行连接板与第一阻尼垫块和第二阻尼垫块焊接固定，阻尼器与阻尼器平行连接板通过阻尼连接螺栓固定连接。
12.进一步，所述牛腿ⅰ、牛腿ⅱ、环形抱箍、内包连接软钢板和环形质量块均采用低碳钢制成；环形抱箍表面和内包连接软钢板表面均涂覆有防腐漆。
13.进一步，所述内包连接软钢板与第一弹簧垫块、第一阻尼垫块焊接固定，环形质量块与第二弹簧垫块、第二阻尼垫块焊接固定；内包连接软钢板、第一弹簧垫块和第一阻尼垫块，环形质量块、第二弹簧垫块和第二阻尼垫块均为整体预制结构。
14.进一步，所述环形质量块的厚度为20mm～25mm，宽度为800mm～1000mm；所述内包连接软钢板的厚度为12mm～20mm，内包连接软钢板的宽度与环形质量块的宽度一致。
15.进一步，所述环形抱箍的厚度为12mm～20mm，环形抱箍的宽度为400mm～500mm。
16.进一步，所述环形质量块内侧与内包连接软钢板外侧之间的距离为桥墩的半径长。
17.进一步，所述环形质量块的质量与桥墩的质量的比值范围为2％～5％。
18.本发明主要通过两部分对桥墩进行减振：
19.对于横向振动，主要靠环形质量块、弹簧以及阻尼器组成的tmd系统控制。其次，通过用于悬挂tmd系统的钢丝绳分解在横向上的作用和弹簧一起控制。
20.对于竖向振动，主要靠钢丝绳分解在竖直方向上的作用控制。
21.本发明的有益效果是：
22.1、现行的桥面减振降噪多采用在桥面设计透明围挡的方式，但这只可以减少一部分的车辆直接噪声。桥面车辆通行还会使桥墩产生水平和竖向振动，桥墩振动会向周边环境辐射噪声，通过空气传播影响周边居民的生活作息。桥墩振动还会通过箱梁、桥墩、承台和桩基传递至地基中，并通过地基传播对地下隧道、管线等产生影响，带来不必要的安全隐患。本发明通过分解到竖直方向的钢丝绳作用和水平方向的环形质量块、弹簧、阻尼器组成
的tmd系统作用，同时减少桥墩竖直方向和水平方向的振动，降低桥墩通过振动传至周围环境的能量。
23.2、城市高架桥桥墩的横向振动频率一般在5～20hz之间，竖向振动频率在5～25hz之间。本发明对于5hz～25hz之间的振动频率较为敏感，且在环形质量块、弹簧、阻尼器以及钢丝绳的组合控制下，能够很好地解决桥墩在全频率范围内的减振问题。
24.3、本发明所述的环形减振tmd系统，在桥墩四周环绕着不同方向的弹簧和阻尼器，利用阻尼器和系统刚度结构配合的缓冲作用，该系统能够有效地消耗桥墩振动产生的能量，减缓高架桥桥墩多个方向上的水平振动。
25.4、本发明安装工艺简单、装配要求低，很大程度上减少了减振措施的制作和安装成本，且不会影响高架桥的整体性。
附图说明
26.图1是本发明的结构示意图；
27.图2是环形抱箍部分的结构示意图；
28.图3是环形质量块与内包连接软钢板之间的结构示意图；
29.图4是钢丝绳的结构示意图；
30.图5是阻尼器以及阻尼器连接件的结构示意图。
31.附图标记说明：1-桥墩，2-环形抱箍，3-牛腿ⅰ，4-钢丝绳，5-连接耳板，6-内包连接软钢板，7-弹簧垫块，8-弹簧，9-阻尼垫块，10-阻尼器，11-环形质量块，12-牛腿ⅱ，13-阻尼器连接件，14-耳板，15-安装耳板，16-楔形套筒，17-钢丝绳护筒，18-阻尼连接螺栓，19-阻尼器平行连接板。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明专利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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“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，如出现术语“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对重要性。
34.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，如出现术语“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。
35.实施例1
36.如图1所示，基于环形tmd的高架桥减振系统，包括上下设置在桥墩1上的环形抱箍
2和环形质量块11，环形质量块11和环形抱箍2之间连接有钢丝绳4；
37.如图2所示，所述环形抱箍2沿周向等分为四个弧形抱箍片，四个弧形抱箍片相互靠近的端面设有连接耳板5，通过在连接耳板5上设置螺栓将四个弧形抱箍片组合连接成一个整体的环形抱箍2；环形抱箍2箍紧于桥墩1上，每个弧形抱箍片的外侧焊接有一个牛腿ⅰ3；每个牛腿ⅰ3上都留有孔洞，孔洞的大小和所使用的楔形套筒16以及钢丝绳4的粗细应该配套。
38.连接耳板5上的开孔数量以及尺寸受连接耳板5的尺寸影响，开孔孔口直径不宜大于连接耳板5宽度的0.7倍。用于连接连接耳板5的螺栓直径可以根据具体情况设计。对于该实施例，连接螺栓主要受到横向的剪切力，同时，在系统工作时还会受到螺栓杆轴方向的外拉力。
39.对于普通螺栓，螺栓的直径应该根据下式计算：
[0040][0041]
式中：nv为受剪面数目；d为螺栓直径；为螺栓的抗剪和承压强度设计值(单位：n/mm2)。
[0042]
对于高强螺栓摩擦型连接，同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力，则高强螺栓直径可以根据下式计算：
[0043][0044]
式中：nv、n
t
分别为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力(单位：n)；分别为一个高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值(单位：n)。
[0045]
如图3所示，所述环形质量块11的内侧设有环形的内包连接软钢板6，环形的内包连接软钢板6沿周向等分为四个弧形连接软钢板，四个弧形连接软钢板相互靠近的端面设有安装耳板15，通过在安装耳板15上设置螺栓将四个弧形连接软钢板组合连接成一个整体的内包连接软钢板6；需要注意的是，安装耳板15用于连接固定的螺栓直径和数量可根据实际情况设计，其计算公式同公式1和公式2。内包连接软钢板6箍紧于桥墩1上，每个弧形连接软钢板外侧设有四个第一弹簧垫块7a和一个第一阻尼垫块9a，四个第一弹簧垫块7a两两一组对称分布在第一阻尼垫块9a两侧，每组两个第一弹簧垫块7a呈上下布置；所述环形质量块11沿周向等分为四个弧形质量块，四个弧形质量块相互靠近的端面设有耳板14，通过在耳板14上设置螺栓将四个弧形质量块组合连接成一个整体的环形质量块11；耳板14上的螺栓直径和数量可根据不同的实施例设计，其计算公式同公式1和公式2。
[0046]
每个弧形质量块的内侧与四个第一弹簧垫块7a和一个第一阻尼垫块9a相对应的位置设有四个第二弹簧垫块7b和一个第二阻尼垫块9b；第一弹簧垫块7a和第二弹簧垫块7b之间连接有弹簧8，第一阻尼垫块9a和第二阻尼垫块9b之间连接有阻尼器10；每个弧形质量块的外侧与牛腿ⅰ3相对应的位置设有牛腿ⅱ12，牛腿ⅰ3与牛腿ⅱ12之间连接有钢丝绳4。所述牛腿ⅰ3和牛腿ⅱ12上设有用于连接钢丝绳4的孔洞，钢丝绳4的两端分别设有用于防止摩擦的钢丝绳套筒17和能够将钢丝绳4固定在孔洞内的楔形套筒16；钢丝绳4与水平面的夹角范围为65
°
～75
°
。
[0047]
所述阻尼器10是粘滞阻尼器，粘滞阻尼器是由缸筒、阻尼器、阻尼介质(粘滞流体)、导杆等组成。该类型的阻尼器具有很好的减振耗能效果，当结构发生位移或者变形时，能够大量消耗能量，有效减少结构振动。阻尼器10的两端分别设有用于与第一阻尼垫块9a、第二阻尼垫块9b连接的阻尼器连接件13，阻尼器连接件13包括阻尼器平行连接板19和阻尼连接螺栓18，阻尼器平行连接板19与第一阻尼垫块9a和第二阻尼垫块9b焊接固定，阻尼器10与阻尼器平行连接板19通过阻尼连接螺栓18固定连接。阻尼连接螺栓18的直径也可根据公式1和公式2计算。
[0048]
本实施例中
[0049]
环形抱箍2为保证其能够紧密地贴合桥墩1，建议钢材材料选择低碳钢，为保证其防腐性还可以在环形抱箍2表面刷防腐漆。环形抱箍2的牛腿ⅰ3为保证焊接的可靠性，建议采用低碳钢。环形抱箍2选用厚钢板，钢板的厚度一般取12mm～20mm；宽度一般取400mm～500mm。连接耳板5均与每个弧形抱箍片为一个整体，该结构直接在工厂预制完成。
[0050]
第一弹簧垫块7a、第一阻尼垫块9a以及安装耳板15均与每个弧形连接软钢板为一个整体，该结构直接在工厂预制完成；同理，第二弹簧垫块7b、第二阻尼垫块9b以及耳板14均与每个弧形质量块为一个整体，该结构直接在工厂预制完成。
[0051]
环形质量块11的牛腿ⅱ12为保证焊接的可靠性，建议采用低碳钢。环形质量块11的材料建议选择具有良好延展性和良好防腐性的低碳钢。环形质量块11的厚度建议在20mm～25mm之间选择，宽度建议在800mm～1000mm之间选择。环形质量块11内侧与所述内包连接软钢板6外侧之间的距离为桥墩1的半径长。
[0052]
内包连接软钢板6选用厚钢板，钢板的厚度一般取12mm～20mm，钢板宽度与环形质量块的宽度一致。所述内包连接软钢板6为保证其能够紧密地贴合桥墩1，建议钢材材料选择低碳钢，为保证其防腐性还可以在内包连接软钢板6表面刷防腐漆。所述用低碳钢材料的部件，其含碳量均为0.1％，低碳钢的密度为7.85t/m3。
[0053]
常规的tmd减振系统，其附加质量块的质量通常在原结构质量的2％～5％范围内，而附加质量块的质量越大，tmd系统的减振效果越明显。为保证该环形减振tmd系统有良好的减振性能，建议该tmd系统质量比u在2％～5％之间选择，其中质量比u为附加质量块质量与主体结构质量的比值，在本文中主体结构质量为桥墩1的质量。
[0054]
所述钢丝绳4的材质有不锈钢和碳素钢。该环形减振tmd系统中的钢丝绳4由于要长期使用，建议选择不锈钢材质，美观且防腐。所述不锈钢型号建议采用304c,其弹性模量在20℃条件下一般为190gpa。为配合钢丝绳4的角度选取，所述钢丝绳4的长度可以调节，以达到最优的减振效果。
[0055]
所述弹簧8材料在优质碳素钢、合金钢、有色金属合金不锈钢等类型中选择皆可。
[0056]
实施例2
[0057]
在安装该tmd系统之前，应该在桥墩1处预留两个具有一定尺寸的凹槽，凹槽的尺寸应该与所述环形抱箍2和内包连接软钢板6相对应，以保证所述环形抱箍2和内包连接软钢板6能够紧密地贴合桥墩1安装，从而有效减少桥墩1的振动。
[0058]
所述钢丝绳4穿过牛腿ⅰ3、牛腿ⅱ12上所预留孔洞将环形质量块11悬吊起来。所述牛腿ⅰ3、牛腿ⅱ12上的孔洞应该与钢丝绳4的直径相适配，以保证二者紧密连接。所述钢丝绳4为四根，每根钢丝绳4的直径和长度可由不同实施例所需要的刚度而改变。
[0059]
安装步骤为：
[0060]
第一步：将在工厂预制好的环形减振tmd系统的每一个零部件托运至桥墩1周围，在吊装前应先将各个零部件按照图纸上的位置摆放好。
[0061]
第二步：依次吊放环形抱箍2的每个弧形抱箍片至预定安装位置，用螺栓将相邻的弧形抱箍片连接起来，并检查是否与桥墩连接紧密。
[0062]
优选的，为保证减振系统的减振效果，所述环形减振tmd系统应该尽量安装在桥墩1的上部，在本实施例中所述环形抱箍2安装位置建议选择在桥面底部与桥墩顶部相接位置的下方，距离建议取为600mm～1000mm。
[0063]
第三步：依次吊放内包连接软钢板6的每个弧形连接软钢板至预定安装位置，用螺栓将相邻的弧形连接软钢板连接起来，并检查是否与桥墩1连接紧密。所述内包连接软钢板6的位置位于所述的环形抱箍2的下方。
[0064]
优选的，为保证所述钢丝绳4以及环形质量块11有良好的工作环境，建议内包连接软钢板6的顶部与环形抱箍2的底部的距离取为1.5～2倍的桥墩1直径。
[0065]
第四步：依次将四根钢丝绳4吊放至环形抱箍2的牛腿ⅰ3位置处，运用楔形套筒16连接的方式将钢丝绳4的一端与牛腿ⅰ3紧密连接。
[0066]
第五步：依次吊放环形质量块11的每个弧形质量块至指定位置。先将钢丝绳4的另一端连接在环形质量块11的牛腿
ⅰⅰ
12上，连接方式同样为楔形套筒16连接，然后用螺栓将相邻的弧形质量块连接。
[0067]
优选的，所述环形质量块11的顶部应与所述内包连接软钢板6顶部在一个水平面内，且二者位置相对应。
[0068]
第六步：依次将弹簧8安装在内包连接软钢板6与环形质量块11之间，为保证弹簧8在系统工作过程中不松动，需要用电焊的方式将弹簧8两端分别与内包连接软钢板6外侧的第一弹簧垫块7a和环形质量块11内侧的第二弹簧垫块7b焊接在一起。
[0069]
第七步：通过阻尼连接螺栓18依次将阻尼器10与内包连接软钢板6外侧的第一阻尼垫块9a和环形质量块11内侧的第二阻尼垫块9b上的阻尼器平行连接板19连接在一起。
[0070]
实施例3
[0071]
本实施例旨在运用一个具体的实施例对钢丝绳4的刚度范围与直径、弹簧8的刚度范围、环形质量块11的质量范围进行具体化分析。
[0072]
本实施例中
[0073]
1、桥墩1直径d＝1600mm，混凝土等级为c30，高h＝25m，体积为v1，密度ρ1＝2.40t/m3；
[0074]
2、环形抱箍2厚度为16mm，宽度为400mm，内包连接软钢板6厚度为20mm，宽度为1000mm；
[0075]
3、环形质量块11的内边半径r＝1600mm，外边半径为r，钢材选用低碳钢(含碳量0.1％)，环形质量块11体积为v2，厚度为s，密度ρ2＝7.85t/m3；
[0076]
4、质量比u在2％～5％之间，本实施例取u＝3.5％；
[0077]
5、设桥墩1质量为m，环形质量块11质量为m，钢丝绳4直径为d，钢丝绳4刚度为k1，弹簧8刚度为k2，钢丝绳4长度为l；
[0078]
6、钢丝绳4与水平方向的夹角α＝70
°
；
[0079]
7、内包连接软钢板6的顶部与环形抱箍2的底部相距2.4m，牛腿ⅰ3与牛腿
ⅰⅰ
12预留钢丝绳4孔洞竖向距离约为3m。
[0080]
根据实施例基本信息可以得到：
[0081][0082]
则:
[0083]
m＝um＝0.035
×
120.64＝4.222t
[0084]
得出环形质量块11的外边半径得出环形质量块11的外边半径
[0085]
得出环形质量块11的厚度s＝r-r＝60mm。
[0086][0087]
则：
[0088]
k＝(2πf)2m
[0089]
又因为：
[0090][0091][0092]
则：
[0093][0094]
根据上述公式计算出相关的构件数据如表1所示。
[0095]
表1弹簧、钢丝绳结果表
[0096][0097]
通过计算可知，在该实施例下，弹簧的刚度、钢丝绳的刚度以及钢丝绳的直径可以通过公式准确求出。
[0098]
优选的，在本实际例中横向振动频率区间为5hz～20hz，竖向振动频率区间为5hz～25hz。钢丝绳和弹簧的规格选择可以根据表1选取，为了使系统能够安全工作并使系统达到一个良好的减振效果，建议钢丝绳直径取大于25.7mm，钢丝绳刚度取大于2.604
×
107n/
m。
[0099]
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。