一种适用于桥梁吊索粘弹性减振架的防护装置及方法

1.本发明涉及一种适用于桥梁吊索粘弹性减振架的防护装置及方法，尤其适用于大跨度悬索桥、中/下承式拱桥多股吊索上粘弹性减振架的防护与振动监测，属于桥梁工程管养与监测领域。


背景技术：

2.随着现代交通的快速发展，桥梁主跨跨度不断实现飞跃，规划建设中的张靖皋长江大桥主跨将达到2300m，建成后将为世界悬索桥之最。其最长吊索长度达265m，远超既有悬索桥吊索长度，且大桥长度超过100m的吊索有372根。作为典型的风敏感结构，长吊索为具有频率低、质量轻、阻尼小、长细比大等特点，在风荷载作用下的振动问题日益突出。其大幅吊索易引起索套开裂，从而造成吊索锈蚀，缩短其使用寿命，且过大的吊索振幅会引起公众恐慌。因此，长吊索抑振方法与装置的研究与开发已成为大跨桥梁动力分析领域的重要内容。
3.考虑到吊索常以销栓式或骑跨式布置，每个吊点一般由两根或四根吊索组成，因此通过在多股吊索间增设减振架来减轻吊索振动已成为大跨度桥梁吊索减振最常用的结构措施。减振架能够提高吊索面内刚度和振动频率使其起振风速增大，还可以将长吊索的大幅振动转化为索段的小幅振动，有效防止了多股吊索的碰索问题。根据减振架连接件的刚度可将减振架分为刚性减振架或粘弹性减振架：刚性减振架中连接件通常采用刚度较大的钢板，而粘弹性减振架中连接件通常由弹性索和高阻尼材料组成。随着吊索长度不断攀升，采用刚性减振架的减振效果较差，因而以南沙二桥为代表的众多工程采用了减振性能更优越的粘弹性减振架。
4.由于粘弹性减振架连接件通常采用弹性索和高阻尼材料，且减振架夹片与吊索间亦填充橡胶垫等以增大摩擦力。随着大跨度桥梁的长期服役，橡胶、粘弹性连接件等长期受到太阳辐射与雨水侵蚀，不可避免的出现老化或腐蚀，严重影响粘弹性减振架的服役性能。此外，吊索长度的提升使得吊索的服役状态更难以掌握。因此，亟需一种既能有效保护长吊索粘弹性减振架、又能监测吊索振动响应的新手段。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种能够防护吊索粘弹性减振架从而保障其安全服役的技术方案，进而能够实现减振架位置振动情况的实时监测。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种适用于桥梁吊索粘弹性减振架的防护装置，粘弹性减振架包括粘弹性连接件(3)以及两个分别对应安装在粘弹性连接件两端的减振架夹片(2)，每一个减振架夹片(2)均能够夹持安装一根吊索(1)；所述防护装置包括防护部分和测试部分，其中：
8.所述防护部分包括防水保护壳以及伸缩篷(6)；
9.所述防水保护壳包括两个，对应为第一、第二防水保护壳；第一防水保护壳、伸缩
篷(6)以及第二防水保护壳沿着桥梁吊索粘弹性减振架的长度延伸方向依次套接在桥梁吊索粘弹性减振架的外围并相互通过可拆卸连接方式连接成一体；伸缩篷(6)对应于桥梁吊索粘弹性减振架的中部位置处设置并能够实现轴向伸缩，而第一、第二防水保护壳则对称地布置在伸缩篷(6)的两侧并分别与两根吊索的所在位置相对；
10.每一个防水保护壳均为剖分结构，包括两个壳体分体(4)，每一个壳体分体(4)的剖分面的外边缘均镶嵌有永磁体(13)；两个壳体分体(4)的外侧端部均向外延伸出檐边，两个壳体分体(4)的檐边外在两者的拼合位置处设置护套(5)，檐边与护套(5)边缘紧密咬合；两个壳体分体(4)在与吊索(1)对应的位置处均设置有半圆形凹槽；两个壳体分体(4)分设在桥梁吊索粘弹性减振架的上下两侧并通过两者外边缘所镶嵌的永磁体(13)吸附贴合成一体，同时两个壳体分体(4)对应位置处的半圆形凹槽能够拼合形成与吊索(1)外径匹配的通孔；
11.所述测试部分针对每一根吊索(1)均配设有一组加速度传感器，每组加速度传感器均包括有纵桥向加速度传感器(10)、横桥向加速度传感器(11)；所述纵桥向加速度传感器(10)、横桥向加速度传感器(11)均安装在防水保护壳中，并位于相应的防水保护壳与吊索(1)之间；纵桥向加速度传感器(10)用于检测吊索(1)在减振架位置纵桥向的振动情况，横桥向加速度传感器(11)用于检测吊索(1)在减振架位置横桥向的振动情况。
12.优选地，所述壳体分体(4)沿吊索(1)长度延伸方向的长度应长于所述粘弹性减振架夹片(2)的长度。
13.优选地，所述壳体分体(4)内部铺设防水涂层(9)。
14.优选地，所述壳体分体(4)的檐边通过向外弯曲而形成，护套(5)的内侧设置有嵌槽，护套(5)的嵌槽形状与壳体分体(4)的檐边的弯曲形状匹配。
15.优选地，所述壳体分体(4)的侧面边缘设置有凸起(7)，伸缩篷(6)在与凸起(7)对应的位置处设置有凹槽(8)；壳体分体(4)与伸缩篷(6)之间通过凸起(7)、凹槽(8)的配合连接而相连。
16.优选地，所述加速度传感器共2组，每组加速度传感器均包括1个纵桥向加速度传感器(10)和1个横桥向加速度传感器(11)。
17.优选地，还包括太阳能电池板(12)；所述太阳能电池板(12)共4块，分别镶嵌于4件壳体分体(4)外表面，所述太阳能电池板(12)将外部太阳辐射能转化为电能为内部的纵桥向加速度传感器(10)、横桥向加速度传感器(11)供电。
18.本发明的另一个技术目的是提供一种适用于桥梁吊索粘弹性减振架的防护方法，基于上述的适用于桥梁吊索粘弹性减振架的防护装置而实现，采用防护部分将双股吊索粘弹性减振架包裹于壳体分体(4)、护套(5)与伸缩篷(6)内侧，具体包括如下步骤：
19.步骤一、将所述减振架粘弹性连接件(3)穿过伸缩篷(6)并与减振架夹片(2)相连；
20.步骤二、将减振架夹片(2)通过高强螺栓(14)固定于吊索(1)外侧；
21.步骤三、将太阳能电池板(12)镶嵌固定于壳体分体(4)外部；
22.步骤四、将纵桥向加速度传感器(10)和横桥向加速度传感器(11)固定于壳体分体(4)内部，检查太阳能电池板(12)的供能情况，设置加速度传感器数据采集参数；
23.步骤五、将壳体分体(4)按照半圆形凹槽对应吊索(1)位置安装到粘弹性减振架外侧，保证同一根吊索(1)侧的防水保护壳上各有1个纵桥向加速度传感器(10)和1个横桥向
加速度传感器(11)；
24.步骤六、将同一侧的防水保护壳的2件壳体分体(4)通过镶嵌在边缘的永磁体(13)相连，并安装护套(5)；
25.步骤七、将两侧壳体分体(4)侧边的凸起(7)插入伸缩篷(6)侧面边缘的凹槽(8)，并在接口处填充防水涂料；
26.步骤八、检查所述防护部分是否渗水，所述测试部分是否正常采集振动信号；若有异常，按步骤五至七检查并修复。
27.优选地，对于长度为l的双股吊索，由下而上布置n个防护装置，高度分别为z1、z2、
…
、zn；通过测点高度处的左侧加速度传感器能够获得相应位点处的左侧吊索振动响应a
l
(x1,y1)、a
l
(x2,y2)、
…
、a
l
(xn,yn)；通过测点高度处的右侧加速度传感器能够获得相应位点处的右侧吊索振动响应ar(x1,y1)、ar(x2,y2)、
…
、ar(xn,yn)，其中，x、y分别表示横桥向和纵桥向；即可建立吊索的振动响应函数f
l
(x,y,z)、fr(x,y,z)，满足：
[0028][0029][0030]
优选地，通过对加速度传感器采集的数据进行频谱、时频谱分析，以获得左、右侧吊索振动信号在频域内的能量分布特征；通过对加速度传感器采集的数据进行滤波处理，并通过积分方法建立吊索的位移分布模型，以识别吊索振动形式并分析诱因，便于采取应急与养护措施；所述吊索振动形式包括抖振、涡振以及参数振动。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
(1)通过在同侧壳体间设置永磁体、壳体外侧包裹护套、壳体与伸缩蓬间设置凸起与凹槽连接，使得壳体内部形成密闭空腔，避免外界环境中的水分渗入壳体内部，隔绝了雨水侵蚀、太阳辐射等因素对粘弹性减振架的影响，大幅提升了粘弹性减振架的服役寿命。
[0033]
(2)通过在壳体内表面铺设以吸水树脂等高性能吸水材料制成的防水涂层，吸收可能渗入腔体内部的少量水分，进一步保障粘弹性减振架干燥的工作环境。
[0034]
(3)通过在两侧壳体间设置伸缩蓬，使得防护装置能够在保证内部腔体干燥环境的同时，实现防护装置与粘弹性减振架的协同变形。
[0035]
(4)通过安置加速度传感器及为其供能的太阳能电池板，实现了减振架位置吊索在纵桥向、横桥向振动响应的实时监测；通过在长吊索不同位置装设若干防护装置，则可监测吊索上多位置的振动响应，从而更为准确的重构吊索的运动状态，掌握其振动规律。
[0036]
(5)通过防护装置分体制作，使得该防护装置的安装与更换十分便捷，同时亦为内部粘弹性减振架的检修提供了便利。
[0037]
该设计在防护大跨度桥梁长吊索粘弹性减振架的同时，实现了对减振架位置振动响应的实时监测，不仅能够大幅延长粘弹性减振架的使用寿命，对于描绘长吊索在复杂荷载作用下的运动状态，研究长吊索的振动规律，指导桥梁结构的设计与施工实践，有着极为重大的意义，因而具有广泛的工程应用前景。
附图说明
[0038]
图1为本发明所述吊索粘弹性减振架防护装置及吊索、减振架的整体结构爆炸图；
[0039]
图2为本发明所述吊索粘弹性减振架防护装置安装完成后的整体结构示意图；
[0040]
图3为图1中粘弹性减振架的示意图；
[0041]
图4a为图1中防水保护壳壳体及纵桥向加速度传感器的示意图；图4b为图1中防水保护壳壳体及横桥向加速度传感器的示意图；
[0042]
图5a为图1中防水保护壳的俯视图；图5b为图1中防水保护壳的主视图；图5c为图1中防水保护壳的侧视图；
[0043]
图6a为图4a中纵桥向加速度传感器的示意图；图6b为图4b中横桥向加速度传感器的示意图；
[0044]
图7a为图1中伸缩篷的示意图(未变形状态)；图7b为图1中伸缩篷的示意图(压缩状态)；图7c为图1中伸缩篷的示意图(拉伸状态)；
[0045]
图8为本发明所述吊索粘弹性减振架防护装置在大跨桥梁双股吊索中的布置示意图。
[0046]
附图标记列表：
[0047]
1.吊索；2.减振架夹片；3.粘弹性连接件；4.壳体分体；5.护套；6.伸缩篷；7.凸起；8.凹槽；9.防水涂层；10.纵桥向加速度传感器；11.横向加速度传感器；12.太阳能电池板；13.永磁体；14.高强螺栓；15.橡胶垫层；16.填充层。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0049]
如图1至7所示，本发明所述的一种适用于桥梁吊索粘弹性减振架的防护装置，包括防护部分和测试部分，所述防护部分包括防水保护壳、护套5、伸缩篷6；所述防水保护壳包括壳体分体4、永磁体13，所述壳体分体4内部铺设防水涂层9；所述壳体分体4向外延伸出檐边，同侧两件壳体分体4的檐边外设置护套5，檐边与护套5边缘紧密咬合；所述壳体分体4与伸缩篷6之间通过凸起7与凹槽8相连；所述测试部分包括纵桥向加速度传感器10、横桥向加速度传感器11、太阳能电池板12。
[0050]
如图1、3所示，粘弹性减振架包括夹片2、粘弹性连接件3、高强螺栓14、橡胶垫层15、填充层16。夹片2共四片，中端呈圆弧状，两端平直并设置螺栓孔；高强螺栓14穿过上下夹片2两端的螺栓孔，通过高强螺栓14将上下夹板包裹固定在吊索外侧；夹片2之间的高强螺栓14外侧设置橡胶垫层15。两侧夹片2通过粘弹性连接件3相连，粘弹性连接件3通常采用弹性索和高阻尼材料或其它能够实现变形的构造制成。
[0051]
如图1、2、4、5所示，在本发明所述的一种适用于桥梁吊索粘弹性减振架的防护装置中，所述防水保护壳共四件，分两侧内外布置于吊索1与粘弹性减振架夹片2外侧。防水保护壳包括壳体分体4、永磁体13，所述壳体分体4沿吊索1方向长度应长于所述粘弹性减振架夹片2，壳体分体4依据吊索1直径开设半圆形凹槽，所述永磁体13镶嵌于壳体分体4外边缘，
同一侧两件壳体分体4间通过永磁体13吸附紧密贴合，从而使得上下的半圆形凹槽合成与吊索1直径相匹配的圆孔，防止环境中的水分通过吊索侵入壳体内部。同侧两件壳体分体4檐边分别向外弯曲，其弯曲形状与护套5凹槽相同，从而实现檐边与护套5边缘的紧密咬合，进一步避免雨水等内流渗入。同时，所述壳体分体4内表面铺设防水涂层9，防水涂层9使用吸水树脂等高性能吸水材料制作，能够吸收渗入壳体内部的少量水分。
[0052]
如图1、2、4、5、7所示，伸缩篷6设置于两侧的壳体分体4间，壳体分体4侧面边缘设置凸起7，伸缩篷6两侧边缘设置凹槽8，凸起7与凹槽8相互对应，并间断设置。伸缩篷6采用皮质等防水材料制成，同时具有纵向伸缩变形的能力，能够根据两侧壳体分体4的相对位置变化自适应的拉伸或压缩变形。
[0053]
如图1、2、4、5、6所示，所述测试部分包括纵桥向加速度传感器10、横桥向加速度传感器11、太阳能电池板12。所述加速度传感器共2组，每组包括1个纵桥向加速度传感器10和1个横桥向加速度传感器11，同一组的传感器通过螺栓等方式分别固定于同一侧的两件壳体分体4内侧，位于壳体分体4与吊索1之间，保证加速度传感器与壳体及减振架位置吊索的同步运动，从而采集减振架与吊索纵桥向和横桥向的振动响应。所述太阳能电池板12共4块，分别镶嵌于4件壳体分体4外表面，所述太阳能电池板12将外部太阳辐射能转化为电能为内部的纵桥向加速度传感器10、横桥向加速度传感器11供电。
[0054]
如图8所示，该构造应安装在大跨悬索桥/拱桥同一吊点下相邻索股之间，根据减振架位置布置若干本构造，从而可更为细致的获得吊索多测点的振动响应。以长度为l的双股吊索为例，由下而上布置n个防护装置，高度分别为z1、z2、
…
、zn，可分别获得测点高度处左侧吊索振动响应a
l
(x1,y1)、a
l
(x2,y2)、
…
、a
l
(xn,yn)和右侧吊索振动响应ar(x1,y1)、ar(x2,y2)、
…
、ar(xn,yn)，其中，x、y分别表示横桥向和纵桥向。进一步通过选择合适的插值函数等方式，可建立吊索的振动响应函数f
l
(x,y,z)、fr(x,y,z)，满足：
[0055][0056][0057]
基于上述的粘弹性减振架防护装置，本发明能够实现大跨度桥梁长吊索粘弹性减振架的防护，具体包括如下步骤：
[0058]
步骤一、将所述减振架粘弹性连接件3穿过伸缩篷6并与减振架夹片2相连；
[0059]
步骤二、将减振架夹片2通过高强螺栓14固定于吊索1外侧；
[0060]
步骤三、将太阳能电池板12镶嵌固定于减振架防护壳壳体分体4外部；
[0061]
步骤四、将纵桥向加速度传感器10和横桥向加速度传感器11固定于壳体分体4内部，检查太阳能电池板12的供能情况，设置加速度传感器数据采集参数；
[0062]
步骤五、将壳体分体4按照凹槽对应吊索1位置安装到减振架外侧，保证同一根吊索1侧2件壳体分体4上各有1个纵桥向加速度传感器10和1个横桥向加速度传感器11；
[0063]
步骤六、将同一侧2件壳体分体4通过镶嵌在边缘的永磁体13相连，并安装护套5；
[0064]
步骤七、将两侧壳体分体4侧边的凸起7插入伸缩篷6侧面边缘的凹槽8，并在接口处填充防水涂料；
[0065]
步骤八、检查所述防护部分是否渗水，所述测试部分是否正常采集振动信号；若有异常，按步骤五至七检查并修复。
[0066]
另外，本发明还在使用过程中，通过对加速度传感器采集的数据进行频谱、时频谱分析，以获得左、右侧吊索振动信号在频域内的能量分布特征；通过对加速度传感器采集的数据进行滤波处理，并通过积分方法建立吊索的位移分布模型，以识别吊索振动形式并分析诱因，便于采取应急与养护措施；所述吊索振动形式包括抖振、涡振以及参数振动。
[0067]
本实施方式还需注意以下几个方面：
[0068]
一、为保证壳体与吊索间的密闭效果，壳体的半圆形凹槽的直径应依据吊索的直径选取。
[0069]
二、考虑到本防护装置应实现与粘弹性减振架的协同变形，因此伸缩篷的容许变形能力应略大于减振架粘弹性连接件的变形能力。
[0070]
三、作为优选示例，本例中伸缩蓬采用侧面不间断设计以保证防水效果，因此伸缩篷的安装需在减振架装设前。为提升防护装置的便捷程度，在保证接口密封性能的情况下，伸缩蓬同样可选用侧面间断设计。
[0071]
以上所述尽是本发明的优选实施方式，应指出对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下依旧可以做出若干改进，这些改进亦应视为本发明的保护范围。