一种吊索与主梁的连接装置及其设计方法 |
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| 申请号 | CN202311613814.8 | 申请日 | 2023-11-29 | 公开(公告)号 | CN117702602A | 公开(公告)日 | 2024-03-15 |
| 申请人 | 湖南大学; | 发明人 | 华旭刚; 陈政清; 彭元诚; 崔剑峰; 黄智文; 李瑜; 王超群; 台玉吉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种吊索与主梁的连接装置及其设计方法。一种吊索与主梁的连接装置，包括双向铰，所述双向铰包括上下方向分布的横桥向转动铰和顺桥向转动铰，所述横桥向转动铰和所述顺桥向转动铰铰接，所述横桥向转动铰和所述顺桥向转动铰中的一个用于连接吊索、另一个用于连接 桥梁 的主梁，所述顺桥向转动铰能够实现顺桥向转动，所述横桥向转动铰能够实现横桥向的转动，所述横桥向转动铰具有第一摩擦面和第二摩擦面，所述横桥向转动铰的铰轴穿过所述第一摩擦面和第二摩擦面；主梁横桥向转动时，所述第一摩擦面和对应的所述第二摩擦面能够摩擦耗能。通过双向铰的设置，能够抗 颤振 、涡激共振等扭转位移，进而减小了对桥梁的安全运营存在的不利影响。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种吊索与主梁的连接装置，其特征在于，包括双向铰(1)，所述双向铰(1)包括上下方向分布的横桥向转动铰和顺桥向转动铰，所述横桥向转动铰和所述顺桥向转动铰铰接，所述横桥向转动铰和所述顺桥向转动铰中的一个用于连接吊索(3)、另一个用于连接桥梁的主梁，所述顺桥向转动铰能够实现顺桥向转动，所述横桥向转动铰能够实现横桥向的转动，所述横桥向转动铰具有第一摩擦面(12)和第二摩擦面(21)，所述横桥向转动铰的铰轴穿过所述第一摩擦面(12)和第二摩擦面(21)； |
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| 说明书全文 | 一种吊索与主梁的连接装置及其设计方法技术领域背景技术[0003] 颤振是结构与流体相互作用造成的一种气动失稳现象。桥梁颤振一般处理为动力稳定性问题，随着风速的增加，气动阻尼在特定情况下会不断抵消结构阻尼。当风速超过某个临界值后，气动阻尼完全抵消结构阻尼，以扭转为主要特征的桥梁风致振动幅值会不断增加，直至结构发生破坏。桥梁防颤振设计要求桥梁颤振检验风速必须小于颤振临界风速。 [0004] 涡激共振是指气流流经主梁断面时产生流动分离和周期性旋涡脱落，使主梁两侧表面出现交替变化的正负压力，当旋涡脱落的频率接近结构某一阶固有频率时，主梁横风向或扭转方向就可能产生有限振幅的共振。它虽然不像颤振一样会在短时间内对结构造成灾难性破坏，但如果涡振振幅过大则会影响桥上行车的舒适和安全，对桥梁的正常运营造成不利影响，频繁发生的涡振还可能会引起构件的疲劳破坏。 [0005] 大跨度桥梁的颤振和涡振控制主要有气动措施和机械措施两种方法。气动措施主要是通过增加导流板、风嘴或抑流板等附属导流装置来调整加劲梁断面的外形，达到抑制加劲梁表面发生规律性涡脱的目的，一般在设计建造阶段实施。气动措施很难同时提升主梁的颤振和涡振性能：对涡激共振有效的气动措施往往会降低主梁颤振临界风速，反之亦然。机械措施是指在桥梁上安装被动或者主动的耗能减振装置，通过耗能减振装置吸收并耗散加劲梁的涡振能量达到减小涡振振幅的目的，且合理设置悬索桥吊索系统也可以显著提升悬索桥结构阻尼。例如英国赛文悬索桥(Severn suspension bridge)采用了钢丝绳斜吊索，利用钢丝绳斜吊索的滞后阻尼(hysteresis damping)提高阻尼特性，但这一体系存在较为严重的疲劳问题，赛文桥的斜吊索使用20年后要全部更换。目前我国普遍采用的悬索桥吊索与加劲梁连接装置，采用容许顺桥向转动的单向铰，能够适应加劲梁顺桥向位移，但不具备抗颤振、涡激共振等扭转位移，也没有耗能功能。 [0006] 因此，开发一种可以提升悬索桥加劲梁或拱桥主梁的扭转振动阻尼、构造简单、施工方便的装置，对于增加结构阻尼，减小桥梁在风荷载作用下的振动响应，从而提高桥梁的安全性、降低桥梁建设成本以及提高桥梁的可行性跨径有重要的实际意义。 发明内容[0007] 本发明的目的在于：针对现有技术悬索桥加劲梁或拱桥主梁采用容许顺桥向转动的单向铰，能够适应加劲梁顺桥向位移，存在但不具备抗颤振、涡激共振等扭转位移，也没有耗能功能，进而对桥梁的安全运营存在不利影响的问题，提供一种吊索与主梁的连接装置及其设计方法。 [0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为： [0009] 一种吊索与主梁的连接装置，包括双向铰，所述双向铰包括上下方向分布的横桥向转动铰和顺桥向转动铰，所述横桥向转动铰和所述顺桥向转动铰铰接，所述横桥向转动铰和所述顺桥向转动铰中的一个用于连接吊索、另一个用于连接桥梁的主梁，所述顺桥向转动铰能够实现顺桥向转动，所述横桥向转动铰能够实现横桥向的转动，所述横桥向转动铰具有第一摩擦面和第二摩擦面，所述横桥向转动铰的铰轴穿过所述第一摩擦面和第二摩擦面； [0010] 主梁横桥向转动时，所述第一摩擦面和对应的所述第二摩擦面能够摩擦耗能。 [0011] 本方案中，横桥向转动铰和顺桥向转动铰两者上下设置，且铰接形成双向铰。如横桥向转动铰位于顺桥向转动铰上方，则横桥向转动铰上端连接吊索、横桥向转动铰下端和顺桥向转动铰上端铰接，顺桥向转动铰下端连接主梁，且主梁能够以顺桥向转动铰做顺桥向的转动，且主梁和顺桥向转动铰整体能够以横桥向转动铰做横桥向的转动；反之，若顺桥向转动铰位于横桥向转动铰上方，则是主梁和横桥向转动铰下端连接，且主梁和横桥向转动铰整体能够以顺桥向转动铰做顺桥向转动，主梁能够以横桥向转动铰做横桥向的转动。 [0012] 本发明所述吊索与主梁的连接装置，通过双向铰的设置，使得允许吊索和主梁之间同时发生顺桥向和横桥向相对转动，这给连接装置耗散桥梁扭转动能提供条件；且横桥向转动铰具有第一摩擦面和第二摩擦面，增大主梁的扭转振动阻尼，主梁横桥向转动时，所述第一摩擦面和对应的所述第二摩擦面能够摩擦耗能，减小桥梁在风荷载作用下的扭转振动响应，且能够抗颤振、涡激共振等扭转位移，进而减小了对桥梁的安全运营存在的不利影响。 [0013] 优选的，所述顺桥向转动铰位于所述双向铰的上部，所述横桥向转动铰位于所述双向铰的下部，所述顺桥向转动铰上端用于连接吊索、下端顺桥向铰接所述横桥向转动铰，所述横桥向转动铰的下端具有至少两个间隔的连接板，顺桥向相邻的两个所述连接板之间横桥向铰接有固定连接板，所述固定连接板用于固定连接所述主梁，所述第一摩擦面为所述连接板与所述固定连接板接触的一侧侧面，所述第二摩擦面为所述固定连接板与所述连接板接触的一侧侧面。 [0014] 将横桥向转动铰布置在双向铰的下部，设置第一摩擦面和第二摩擦面的同时，固定连接板能够与主梁连接，使得构造上更加合理，施工方便。 [0015] 优选的，所述固定连接板为沿横桥向且竖向设置的矩形板，固定连接板采用矩形板，便于与主梁连接，且在合理的竖向安装空间下，面积可以设置较大，具有较大的摩擦面积。 [0016] 优选的，所述连接板下部为圆形，且在合理的竖向安装空间下，能够设置较大的摩擦面积，且便于连接板与固定连接板之间的横桥向转动，且保证连接板与固定连接板之间转动过程摩擦面积不减小，保证耗能能力在转动过程不降低。 [0017] 优选的，每个所述固定连接板对应至少一个横桥向转动铰； [0018] 当吊索为骑跨式，所述固定连接板沿横桥向对应两个所述横桥向转动铰； [0019] 当吊索为销接式，所述固定连接板沿横桥向对应一个所述横桥向转动铰。 [0020] 上述吊索与主梁的连接装置，能够适用于骑跨式、销铰式等多种形式的吊索。 [0021] 优选的，所述吊索的一个吊点对应的顺桥向相邻的固定连接板之间通过稳定板连接，所述稳定板沿顺桥向且竖向设置。 [0022] 通过稳定板将所述吊索的一个吊点对应的顺桥向相邻的固定连接板连接起来，形成整体，增强整体稳定性。 [0023] 优选的，所述固定连接板与所述稳定板之间通过防松动高强螺栓连接，所述固定连接板和所述主梁之间通过防松动高强螺栓连接。 [0024] 便于施工且避免了因主梁或吊索振动而发生螺栓松动现象。 [0025] 优选的，连接板和固定连接板之间具有初始预压力，使得连接板和固定连接板的转动摩擦面紧密贴合，能够保证耗能能力。 [0026] 优选的，所述主梁为悬索桥的加劲梁或者拱桥的主梁。 [0027] 一种吊索与主梁的连接装置的设计方法，根据所需等效模态阻尼比ζθ求解需求摩擦力设计值，包括以下步骤： [0029] S2、计算单个吊索间距内的总摩擦力矩M，计算总摩擦力矩M的公式为： [0030] [0031] S3、根据总摩擦力矩M设计双向铰。 [0032] 采用本申请所述的吊索与主梁的连接装置的设计方法，能够准确的获得双向铰的总摩擦力矩M，便于对双向铰准确设计，避免造成过度浪费或者所需耗能能力不足。 [0033] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是： [0034] 1、本发明所述吊索与主梁的连接装置，通过双向铰的设置，使得允许吊索和主梁之间同时发生顺桥向和横桥向相对转动，这给连接装置耗散桥梁扭转动能提供条件；且横桥向转动铰具有第一摩擦面和第二摩擦面，增大主梁的扭转振动阻尼，主梁横桥向转动时，所述第一摩擦面和对应的所述第二摩擦面能够摩擦耗能，减小桥梁在风荷载作用下的扭转振动响应，且能够抗颤振、涡激共振等扭转位移，进而减小了对桥梁的安全运营存在的不利影响。 [0035] 2、本发明所述吊索与主梁的连接装置，将横桥向转动铰布置在双向铰的下部，设置第一摩擦面和第二摩擦面的同时，固定连接板能够与主梁连接，使得构造上更加合理，施工方便。固定连接板采用矩形板，便于与主梁连接，且在合理的竖向安装空间下，面积可以设置较大，具有较大的摩擦面积。且在合理的竖向安装空间下，连接板下部为圆形，能够设置较大的摩擦面积，且便于连接板与固定连接板之间的横桥向转动，且保证连接板与固定连接板之间转动过程摩擦面积不减小，保证耗能能力在转动过程不降低。 [0036] 3、本发明所述吊索与主梁的连接装置，能够适用于骑跨式、销铰式等多种形式的吊索。且能够适用于悬索桥或者拱桥等具有吊索的桥梁。 [0038] 图1为本发明实施例1中的连接装置的主视示意图； [0039] 图2为本发明实施例1中的连接装置的侧视示意图； [0040] 图3为本发明实施例1中的连接装置的俯视示意图； [0041] 图标：1‑双向铰；11‑连接板；12‑第一摩擦面；2‑固定连接板；21‑第二摩擦面；22‑稳定板；3‑吊索；4‑加劲梁。 具体实施方式[0042] 下面结合附图，对本发明作详细的说明。 [0043] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0044] 实施例1 [0045] 本实施例提供一种吊索与主梁的连接装置，能够增加悬索桥或拱桥等具有吊索3的桥梁主梁的扭转振动阻尼，参见图1‑图3，包括双向铰1，所述双向铰1包括上下方向分布的横桥向转动铰和顺桥向转动铰，所述横桥向转动铰和所述顺桥向转动铰铰接，所述横桥向转动铰和所述顺桥向转动铰中的一个用于连接吊索3、另一个用于连接桥梁的主梁，所述顺桥向转动铰能够实现顺桥向转动，所述横桥向转动铰能够实现横桥向的转动，所述横桥向转动铰具有第一摩擦面12和第二摩擦面21，所述横桥向转动铰的铰轴穿过所述第一摩擦面12和第二摩擦面21； [0046] 主梁横桥向转动时，所述第一摩擦面12和对应的所述第二摩擦面21能够摩擦耗能。 [0047] 本实施例中，主梁可以为悬索桥的加劲梁4或者拱桥的主梁，能够适用于悬索桥或者拱桥等具有吊索3的桥梁。 [0048] 其中，横桥向转动铰和顺桥向转动铰两者上下设置，且铰接形成双向铰1。如横桥向转动铰位于顺桥向转动铰上方，则横桥向转动铰上端连接吊索3、横桥向转动铰下端和顺桥向转动铰上端铰接，顺桥向转动铰下端连接主梁，且主梁能够以顺桥向转动铰做顺桥向的转动，且主梁和顺桥向转动铰整体能够以横桥向转动铰做横桥向的转动；反之，若顺桥向转动铰位于横桥向转动铰上方，则是顺桥向转动铰上端与吊索3连接，顺桥向转动铰下端与横桥向转动铰上端铰接，主梁和横桥向转动铰下端连接，使得主梁和横桥向转动铰整体能够以顺桥向转动铰做顺桥向转动，主梁能够以横桥向转动铰做横桥向的转动。 [0049] 如图1‑3所示，以顺桥向转动铰位于横桥向转动铰上方为例，所述顺桥向转动铰位于所述双向铰1的上部，所述横桥向转动铰位于所述双向铰1的下部，所述顺桥向转动铰上端用于连接吊索3、下端顺桥向铰接所述横桥向转动铰，所述横桥向转动铰的下端具有至少两个间隔的连接板11，顺桥向相邻两个所述连接板11之间横桥向铰接有固定连接板2，所述固定连接板2用于固定连接所述主梁，其中，固定连接板2可以通过防松动高强螺栓连接于主梁，便于施工且避免了因主梁或吊索3振动而发生螺栓松动现象。所述第一摩擦面12为所述连接板11与所述固定连接板2接触的一侧侧面，所述第二摩擦面21为所述固定连接板2与所述连接板11接触的一侧侧面。其中，所述横桥向转动铰的下端的连接板11的数量也可以是三个、四个等，横桥向转动铰的下端的连接板11沿顺桥向间隔设置，顺桥向相邻两个连接板11之间铰接有固定连接板2，如横桥向转动铰的下端的连接板11的数量为三个时，则铰接两个固定连接板2；横桥向转动铰的下端的连接板11的数量为四个时，则铰接三个固定连接板2。 [0050] 本实施例中，所述双向铰1上部的顺桥向转动铰容许顺桥向转动，下部的横桥向转动铰容许横桥向转动，下部的横桥向转动铰具有两个较大的连接板11，连接板11的内侧为粗糙的第一摩擦面12，这样可以增大下部横桥向转动铰的滑动摩擦力，提供较大的阻尼，且第一摩擦面12具有较高的耐磨性。所述固定连接板2固定在加劲梁4上，具有两个尺寸较大的粗糙的第二摩擦面21，且第二摩擦面21具有较高的耐磨性。固定连接板2的第二摩擦面21和横桥向转动铰的连接板11的第一摩擦面12紧密贴合，具备一定的初始预压力。当加劲梁4发生扭转振动时，所述第一摩擦面12和第二摩擦面21之间发生滑动摩擦，通过摩擦阻尼耗散振动能量，从而减小加劲梁4的扭转振幅。对于骑跨式的吊索3，一个吊点处有多个能产生摩擦阻尼的双向铰1，大大增加了加劲梁4的扭转振动阻尼，使得连接装置具有良好的减振效果。即每个固定连接板2可连接一根或多根吊索3，在一个吊点可沿顺桥向平行布置多个，能够适用于骑跨式、销铰式等多种形式的吊索3。图1和图2中展示了骑跨式，且一个吊点包含两个吊索3。 [0051] 本方案中，固定连接板2和连接板11的截面形状可以多种多样，能够满足横桥向相对转动即可。如图1所示，作为较优的实施方式，所述固定连接板2为沿横桥向且竖向设置的矩形板，固定连接板2采用矩形板，便于与主梁连接，固定连接板2横桥向尺寸较大，且在合理的竖向安装空间下，面积可以设置较大，具有较大的摩擦面积。所述连接板11下部为圆形，且在合理的竖向安装空间下，能够设置较大的摩擦面积，且便于连接板11与固定连接板2之间的横桥向转动，且保证连接板11与固定连接板2之间转动过程摩擦面积不减小，保证耗能能力在转动过程不降低。 [0052] 本实施例中，所述吊索3的一个吊点对应的顺桥向相邻的固定连接板2之间通过稳定板22连接，所述稳定板22沿顺桥向且竖向设置。通过稳定板22将所述吊索3的一个吊点对应的顺桥向相邻的固定连接板2连接起来，形成整体，增强整体稳定性。所述固定连接板2与所述稳定板22之间通过防松动高强螺栓连接，便于施工且避免了因主梁或吊索3振动而发生螺栓松动现象。 [0053] 本实施例所述吊索与主梁的连接装置，通过双向铰1的设置，使得允许吊索3和主梁之间同时发生顺桥向和横桥向相对转动，这给连接装置耗散桥梁扭转动能提供条件；将横桥向转动铰布置在双向铰1的下部，设置第一摩擦面12和第二摩擦面21的同时，固定连接板2能够与主梁连接，使得构造上更加合理，施工方便；其容许横桥向转动的横桥向转动铰在下部和固定连接板2连接，可以充分利用固定连接板2的较大第二摩擦面21，增大加劲梁4的扭转振动阻尼；容许横桥向转动的横桥向转动铰包含两个较大的连接板11，提供较大的第一摩擦面12，且和固定连接板2之间紧密贴合，通过摩擦耗能，减小桥梁在风荷载作用下的扭转振动响应，且能够抗颤振、涡激共振等扭转位移，进而减小了对桥梁的安全运营存在的不利影响。当主梁由于颤振或涡激共振发生扭转振动时，下部横桥向转动铰处连接板11和固定连接板2之间发生相对转动，摩擦力耗能，有助于减小桥梁的扭转振动响应。每个固定连接板2可连接一根或多根吊索3，在一个吊点可沿顺桥向平行布置多个，适用于骑跨式、销铰式等多种形式的吊索3，有效减轻或避免颤振等扭转振动引起的悬索桥结构损伤及破坏。其构造简单，施工方便，具有很高的实用性。 [0054] 实施例2 [0055] 本实施例提供一种吊索与主梁的连接装置，与实施例1不同之处在于，所述吊索3为销接式，且一个吊点处只有一根吊索3和一个固定连接板2，单个固定连接板2只连接一个双向铰1，当加劲梁4发生扭转振动时双向铰1和固定连接板2通过摩擦阻尼耗散振动能量，达到减振的效果。 [0056] 实施例3 [0057] 本实施例提供一种吊索与主梁的连接装置，与实施例1不同之处在于，所述吊索3为销接式，且一个吊点处沿顺桥向有多根吊索3和相同数量的固定连接板2，多个固定连接板2通过稳定板22连接，稳定板22可参考图2和图3，增强整体稳定性。单个固定连接板2只连接一个双向铰1，当加劲梁4发生扭转振动时连接板11和固定连接板2通过摩擦阻尼耗散振动能量，达到减振的效果。 [0058] 实施例4 [0059] 本实施例提供一种吊索与主梁的连接装置的设计方法，根据所需等效模态阻尼比ζθ求解需求摩擦力设计值，包括以下步骤： [0060] S1获取沿顺桥向单个吊索3间距内的扭转质量距Jθ；并获取主梁扭转频率ωθ和主梁扭转角度振幅θ0； [0061] S2、计算单个吊索3间距内的总摩擦力矩M，计算总摩擦力矩M的公式为： [0062] [0063] S3、根据总摩擦力矩M设计实施例1‑3任一所述吊索与主梁的连接装置的双向铰1。其设计方法是根据总摩擦力矩M、固定连接板2和连接板11之间的摩擦系数，得到两者之间的预压力，通过计算得到的预压力即可实现所需摩擦力矩。 [0064] 采用本申请所述的吊索与主梁的连接装置的设计方法，能够准确的获得双向铰1的总摩擦力矩M，便于对双向铰1准确设计，避免造成过度浪费或者所需耗能能力不足。 [0065] 另外，本连接装置可通过如下步骤确定摩擦阻尼所附加等效模态阻尼比，或根据已知等效模态阻尼比求解需求摩擦力设计值： [0066] 在已知沿顺桥向的单个吊索3间距内的扭转质量距Jθ，加劲梁4某阶扭转频率ωθ和加劲梁4扭转角度振幅θ0的前提下，可根据悬索桥某阶扭转振型所需额外等效阻尼比，计算得到单个吊索3间距内的总摩擦力矩M，其中 [0067] 在已知连接装置在悬索桥单个吊索3间距内的总摩擦力矩M，可根据求其对某阶扭转振型所贡献的额外阻尼比。表1给出了我国 三座代表性悬索桥的数值分析结果(设单个吊点处的横桥向转动铰的摩擦力为120吨)，对桥梁进行风洞试验，发现桥梁振动，然后在试验中添加阻尼，当然这个阻尼并不是摩擦阻尼，通过添加到一定程度的等效阻尼比后，桥梁就不震动了，因此表1反应了通过设置摩擦力，确定得到的阻尼比。 [0068] 表1.代表性悬索桥附加阻尼比的计算值 [0069] [0070] 本发明可以显著提高加劲梁4扭转振动模态的阻尼比，也可以根据等效阻尼比ζθ可以获取单个吊索3间距内的总摩擦力矩M。 |
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