一种悬索桥吊索支架式减振系统

本发明涉及桥梁工程领域，特别是一种悬索桥吊索支架式减振系统。

背景技术：

1、悬索桥是指通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁结构形式，因其外形优美、跨越能力突出，是现代大跨度桥梁最常见的桥型之一。目前，部分超大跨度悬索桥的跨径已经超过了2000m，如2022年通车的1915恰特卡莱大桥主跨为2023m，在建的狮子洋通道主跨2180m，在建的张靖皋过江通道的主跨甚至达到了2300m。对于悬索桥而言，吊索是其传力路径的重要构成部分，连接了上部主缆和下部主梁。因此，安全可靠的吊索是悬索桥能够正常使用的重要保障。但由于吊索阻尼低、质量小、频率低、长细比大的固有特征，在风荷载作用下极易产生频繁的大幅度振动，甚至出现碰索现象。这些现象可能导致吊索的疲劳性能下降，并因其吊索两端索夹的锚固破坏，降低悬索桥的长期服役性能。这表明超大跨度悬索桥的出现对吊索的风振控制提出了越来越高的要求。

2、目前，控制吊索振动的主要手段有索间安装刚性减振架、索间安装高耗能橡胶阻尼器、吊索主梁梁端安装阻尼器等。其中，索间安装刚性减振架是最简单的控制方式之一，可有效避免碰索现象，但由于其本身无额外阻尼耗能能力，控制能力有限。索间安装高耗能橡胶阻尼器虽能提供足够的附加阻尼，但是其材料耐久性差、易损坏，需频繁更换。梁端安装的阻尼器一般存在启动位移，对于小幅但高频的振动作用效果差。同时，上述前两种控制方式均存在控制装置掉落的风险，梁端安装的阻尼器需要较高的安装位置才能达到理想的控制效果。另外，对于超长吊索，其对吊索上端的控制效果有待检验。

3、综上所述，亟需一种新的吊索减振控制系统，可以对悬索桥吊索进行长期的有效风振控制，且系统的耐久性较好，并能控制吊索多个模态阶次的振动。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种悬索桥吊索支架式减振系统，该悬索桥吊索支架式减振系统能有效控制吊索的风致振动。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种悬索桥吊索支架式减振系统，对应的悬索桥主体结构包括主梁、吊索、吊索索夹以及吊索分隔器，悬索桥吊索与主梁相连接，每组吊索均包括两根或以上平行设置的多股吊索，多股吊索通过吊索分隔器相连，所述吊索通过吊索索夹与主梁连接；

4、所述减振系统包括阻尼减振系统和调频减振系统，所述阻尼减振系统包括刚性支架、粘滞液体、弹性缓冲箱、支承弹簧、底座、球铰以及支架端板，所述底座固定安装在主梁上方，所述底座与主梁的表面相连实现固定，所述弹性缓冲箱放置在底座上方并通过支承弹簧实现将其固定在底座上，所述粘滞液体放置在弹性缓冲箱内，所述刚性支架的一端通过支架端板与吊索分隔器螺栓连接，另一端浸入装有粘滞液体的弹性缓冲箱内，且通过球铰固定在弹性缓冲箱的箱体中，所述刚性支架上还设置有转角，在靠近弹性缓冲箱的转角处设置有刚性支架分支；

5、所述调频减振系统包括螺纹杆和调频质量元件，所述螺纹杆的一端连接在刚性支架分支上，所述螺纹杆上穿有调频质量元件，用以控制高频振动。

6、作为本发明的优选技术方案：所述弹性缓冲箱的箱体包括底板和侧壁板，所述底板和侧壁板均为中空结构，所述底座与侧壁板内部均填充有弹性填充物。

7、作为本发明的优选技术方案：所述弹性缓冲箱上方安装有顶板，所述刚性支架穿过顶板浸入到粘滞液体中，通过球铰固定于弹性缓冲箱的底板，所述底座上设置有弹簧固定座，所述支承弹簧的一端连接在顶板上，另一端固定在弹簧固定座上。

8、作为本发明的优选技术方案：所述支承弹簧设置有四根，四根支承弹簧对称固定在顶板的四个角处。

9、作为本发明的优选技术方案：所述弹性缓冲箱的底板上设置有球形凹槽，所述刚性支架的底部安装有球铰，所述刚性支架通过球铰卡接在球形卡槽内实现固定。

10、作为本发明的优选技术方案：所述支承弹簧与弹性缓冲箱侧壁板的夹角范围为5～15°。

11、作为本发明的优选技术方案：所述刚性支架上还安装有用于增大与粘滞液体接触面积、提高与粘滞液体相对运动而产生阻尼力、减小刚性支架及与之相连吊索振动的侧板，所述侧板位于粘滞液体内。

12、上述结构中：本发明提出的一种悬索桥吊索支架式减振系统，对应的悬索桥主体结构包括主梁、吊索、吊索索夹以及吊索分隔器，减振系统包括阻尼减振系统和调频减振系统，其中，阻尼减振系统包括刚性支架、粘滞液体、弹性缓冲箱、支承弹簧、底座、球铰以及支架端板，调频减振系统包括螺纹杆和调频质量元件，

13、刚性支架通过支架端板与吊索分隔器螺栓连接，在预设位置处进行两次弧线倒角的变向，因此在刚性支架上形成了转角，靠近弹性缓冲箱的转角向下垂直延伸并浸入装有粘滞液体的弹性缓冲箱内，并通过球铰进行固定，弹性缓冲箱与底座相连接，底座固定在主梁的表面。

14、弹性缓冲箱的底板与侧壁板的内部填充有弹性填充物，侧壁板提供弹性缓冲箱的材料刚度，其内部的弹性填充物可提供弹性变形性能，具有耗能作用，且不完全约束刚性支架的转动；弹性缓冲箱内的粘滞液体通过与刚性支架及侧板的相对运动，耗散刚性支架及连接刚性支架的吊索的振动能量，以实现减振。

15、采用多个支承弹簧为弹性缓冲箱提供额外的刚度，保证系统的整体刚度满足和整体变形可控；支承弹簧设置有四根，分别位于弹性缓冲箱的四个角处；支承弹簧与弹性缓冲箱竖直方向的夹角范围为5～15°，可同时限制系统的竖向和横向变形。

16、通过构建悬索桥吊索支架式减振系统制作成本c关于建造各子系统材料的质量m的函数，进而得到最优化的悬索桥吊索支架式减振系统构件参数。其中，悬索桥吊索支架式减振系统的设计参数包括刚性支架与螺纹杆的材料单位质量价格w1、材料密度ρ1、刚性支架的截面面积a1、总长度l1、弹性缓冲箱的内部填充物的材料单位质量价格w2、材料密度ρ2、弹性缓冲箱外壳的材料单位面积的价格w3、材料面密度ρ3、弹性缓冲箱的长度l2、高度h2、宽度d2、弹性缓冲箱内部空间的长度l3、高度h3、宽度d3、粘滞液体的材料单位质量价格w4、材料密度ρ4、粘滞液体的体积v4、底座的材料单位质量价格w5、材料密度ρ5、底座形状区域ω5、底座高度h5、调频质量元件的材料单位质量价格w6、材料密度ρ6、质量块体积v6。假定支承弹簧、各种连接件、球铰、侧板等零部件的成本不作考虑，弹性缓冲箱的外壳厚度忽略不计。支架式减振系统的质量m为刚性支架质量m1、弹性缓冲箱的内部填充物质量m2、弹性缓冲箱外壳质量m3、粘滞液体质量m4、底座质量m5和调频质量元件质量m6；则支架式减振系统制作成本c关于支架式减振系统的质量m的函数表达式为：

17、min c＝{w1m1，w2m2，w3m3，w4m4，w5m5，w6m6}

18、其中：

19、m1＝ρ1a1l1

20、m2＝ρ2(l2h2d2-l1h1d1)

21、m3＝2ρ3h2(l2+d2)

22、m4＝ρ4v4

23、

24、m6＝ρ6v6

25、式中，dx和dy分别表示底板沿水平两个方向上的微元段；另外，支架式吊索减振系统制作成本c在求解过程中，需满足如下约束条件：

26、

27、式中，σi为第i个结构物材料的应力，[σi]为对应材料的容许应力；

28、εi为第i个结构物材料的应变，[εi]为对应材料的容许应变；

29、n为使用的材料数量；

30、def为支架式减振系统的变形量，lim为支架式减振系统的变形量限值，为设定值；

31、hd为刚性支架与吊索分隔器连接位置距离吊索索夹中心的铅锤距离，计算公式为：

32、hd＝2lcζs

33、式中，ζs为支架式吊索减振系统的设计阻尼比，计算公式为：

34、ζs＝ζd-ζother-ζn

35、式中，ζd为吊索设计阻尼比；ζother为其他减振措施提供的阻尼比；ζn为吊索固有阻尼比；lc为吊索长度。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

37、1.本发明中的支架式吊索减振系统设置了四根支承弹簧，为系统提供额外刚度，有效避免了系统的过大变形，安全可靠。

38、2.本发明中的阻尼减振系统直接坐落在主梁上，设有底座，安全稳固；内部的粘滞液体可以直接更换，便于安装和后续运维。

39、3.本发明中的阻尼减振系统在浸入粘滞液体的刚性支架上装有侧板，增大了粘滞液体与刚性支架的接触面积，提高了吊索减振的效率。

40、4.本发明中调频减振系统采用调频质量元件串接与螺纹杆的方式形成，直接附加在刚性支架上，节省了安装空间；且螺纹杆可以将调频质量元件旋进旋出，便于调频减振系统的频率调整。

41、5.本发明中的阻尼减振系统和调频减振系统协同工作，阻尼减振系统可有效控制吊索的低频大幅振动，调频减振系统可有效控制对应模态附近的高频振动，进而满足支架式减振系统整体控制多阶模态振动的需求。

42、6.本发明采用多参数联合优化方案，可提高减振系统的整体工作效率，也即在支架式减振系统设计阻尼比保持不变的前提下，减少系统的整体质量，进而降低制作成本。