一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统

本发明涉及结构工程，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、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，

4、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；

5、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，

6、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，

7、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。

8、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；

9、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；

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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°。

21、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。

22、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kns(单位：n/m)按下式近似确定

23、

24、其中f0为压缩弹簧初始的压力(单位：n)，ls为压缩弹簧位置在初始位置时的长度(单位：m)，l为放大杠杆的长度(单位：m)，l1为连接杆与放大杠杆连接点距离放大杠杆与第二铰耳连接点之间的距离(单位：m)；

25、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

26、

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、(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；

29、(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；

30、(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；

31、(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。

技术特征：

1.一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，其特征在于，包括立柱(3)、横梁(2)、负刚度组件、阻尼器(4)和连接杆(5)，

2.根据权利要求1所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述放大杠杆(8)上设置有中间孔(9)，所述连接杆(5)通过中间孔(9)与中间孔(9)与放大杠杆(8)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述中间孔(9)设置于横梁(2)沿其长度方向的中间位置的正上方。

4.根据权利要求1所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述拉索主体(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。

5.根据权利要求4所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述阻尼器(4)与半索夹(14)通过球铰相连接，所述连接杆(5)与半索夹(14)通过球铰相连接。

6.根据权利要求1所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述放大杠杆(8)与第一铰耳(6)、固定板(10)分别通过球铰连接，所述导杆(12)与第二铰耳(7)通过球铰连接。

7.根据权利要求1所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述横梁(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。

8.根据权利要求1所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述阻尼器(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。

9.根据权利要求1所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述阻尼器(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°。

10.根据权利要求1所述的一种拉索面内外振动控制的外置负刚度阻尼系统，其特征在于，所述立柱(3)位于横梁(2)沿其长度方向的中间位置。

技术总结
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，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，横梁设置于立柱上方，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，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，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，负刚度组件设置于第一铰耳和第二铰耳之间；连接杆的一个端部与负刚度组件相连接，另一个端部与拉索主体相连接。本发明的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。

技术研发人员：陈林,孙利民,赵林
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11