本實用新型屬于大跨度懸索橋結構阻尼器技術領域，具體涉及一種自開啟位移型多級水力吸耗能器。

背景技術：

大跨度懸索橋能跨越大江大河，可避免深水基礎的施工而得到廣泛應用。但由于其跨度大，主梁和主纜阻尼小，極易在大風作用下發生大幅扭轉或彎-扭組合振動而導致橋梁破壞，其抗風穩定性問題是限制其跨度進一步加大的主要影響因素。增大懸索橋阻尼，可以顯著提高其抗風穩定性，但超大跨度懸索橋多處于交通繁忙的航道之上，為保證通航安全，航道中很難設置永久性固定設施，因此，目前沒有很好的方法增加主梁或主纜的阻尼。

阻尼器是增加結構阻尼的最直接可靠的辦法，并且可抑制結構多種形態的振動。阻尼器兩端安裝于結構之上，通過結構間的相對運動驅動阻尼器耗能減振，其耗能大小與結構在阻尼器兩安裝點的相對運動大小直接相關。阻尼器的長度與懸索橋跨度相比很小，因此現有阻尼器很難提高懸索橋主梁或主纜的阻尼。

橋梁施工時常在航道處安裝臨時抗風樁，用鋼纜連接主梁和抗風樁，提高主梁抗風穩定性，但需要在抗風樁處停泊船只和警示標志。在橋梁施工完成后，臨時設施必須清理干凈，抗風纜也被清除。

成橋后的大跨度懸索橋只在大風作用下才發生大幅振動，發生振動持續時間短，且此時船只大都進港避風，航道船只相對稀疏。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種能夠在橋梁振動初始時自動開啟吸耗能器，通過水力吸耗能及向水中傳輸結構振動動能，從而抑制橋梁振動的自開啟位移型多級水力吸耗能器。

本實用新型的目的是通過如下的技術方案來實現的：該自開啟位移型多級水力吸耗能器，它包括橋梁結構上的箱體式的鋼箱梁，鋼箱梁的底部加工有一個方形凹洞；它還包括一個掛籃；所述掛籃包括方形的掛籃外框，掛籃外框內依次套有圓筒形的掛籃中筒和掛籃內筒，掛籃外框、掛籃中筒和掛籃內筒的頂部固連有掛籃頂板，掛籃底部為敞口，且掛籃外框、掛籃中筒、掛籃內筒的高度依次增大；掛籃頂板上均勻開有若干通水孔，通水孔之上鉸接有蓋板，未工作時蓋板通過扭轉彈簧處于蓋緊狀態，扭轉彈簧的預緊力小，保證蓋板下方水流能輕松沖開蓋板；掛籃上部四個角上分別連接有一根吊繩，四根吊繩的另一端等長度綁扎在一起后的結點再與吊繩連接，吊繩的另一端穿過安裝于方形凹洞頂板上的抱緊裝置，再繞過安裝于鋼箱梁頂板上的滑輪后，纏繞在安裝于鋼箱梁頂板上的轉筒上；吊繩的長度保證掛籃能夠沉沒于橋下水中，但不能接觸到水底；所述掛籃放置于鋼箱梁底部的方形凹洞內，在方形凹洞底部的四個角上分別設置有一塊水平托板，水平托板上設置有豎直擋板，豎直擋板通過限位彈簧與方形凹洞的側板底部連接，在掛籃外框底部四個直角內分別設置有一個水平角板；豎直擋板通過限位彈簧的彈力與所述掛籃外框底部緊靠，掛籃外框底部四個角通過圓形滾珠支撐于方形凹洞底部的四個水平托板上；水平托板尺寸及限位彈簧彈力的設計保證掛籃處于方形凹洞中心并保持平衡，并且在風的直接作用下不產生足夠滑落的側移，但在鋼箱梁發生一定的傾斜角度時滑落。

具體的，所述抱緊裝置包括一個上、下開口的圓形外筒，外筒的下部套裝 有一個上、下開口的圓形內筒，內筒之上的外筒內安裝有一塊圓弧形的定閘瓦和一塊圓弧形的動閘瓦，動閘瓦上連接有一根抱緊螺桿，抱緊螺桿伸出于外筒之外，通過旋轉抱緊螺桿推動動閘瓦能調節定閘瓦和動閘瓦所圍合的圓孔的大小；抱緊裝置安裝于方形凹洞的頂板上，頂板上開有對應于抱緊裝置中心孔的通孔。

具體的，所述掛籃上部連接的四根吊繩綁扎在一起后的結點通過保險繩與吊繩連接，保險繩的拉扯強度小于吊繩的強度。保證其與船碰撞、纏繞時，保險繩被拉斷，掛籃沉入水中，避免翻船。

本實用新型的工作原理及工作過程如下：

本實用新型吸耗能器主要由掛籃、吊繩、抱緊裝置和轉筒組成。掛籃四角由水平托板支撐于鋼箱梁底板上，為減小摩擦，在掛籃四角與水平托板間設置圓形滾珠，保證掛籃可在水平面內向任意方向滑動。在掛籃與鋼箱梁之間設置限位彈簧，保證在鋼箱梁發生小幅振動的正常情況下，掛籃只能在平衡位置附近發生很小的振動，不至于掉落。轉筒安裝于鋼箱梁頂板底部，其與掛籃通過吊繩、保險繩相連，在掛籃從水平托板上掉落前，吊繩繞于轉筒外壁。

當橋梁在風作用下發生扭轉或彎曲振動時，導致鋼箱梁發生轉動，原處于水平狀態的掛籃發生傾斜，在重力作用下向下滑動，壓縮限位彈簧，當鋼箱梁的傾斜角度超過限值時，掛籃壓縮限位彈簧超過限值后從水平托板處掉向水中。

為防止掛籃高速掉落發生意外，抱緊裝置對吊繩在一般情況下處于輕壓狀態，使掛籃緩慢下落并掉入水中。

在無人力或其它控制手段參與下，掛籃進入水體內，在重力作用下張緊吊繩，其耗能及將動能由鋼箱梁傳遞至水體原理按鋼箱梁振動一個周期分為三個 階段：

(1)當耗能器轉筒位置的鋼箱梁由處于最低位置并往上移動至平衡位置過程中，掛籃在吊繩牽引下由下往上加速運動，此時掛籃頂板通水孔的蓋板閉合，掛籃和其內水體動能增加，并驅動掛籃上方及下方部分水體流動，所有動能來源于吊繩驅動掛籃所做的功。與此同時，掛籃勢能也增加，但由于在整個振動周期中，掛籃勢能的變化為零，因此不分析勢能的變化。吊繩給掛籃及水體做功的同時也給鋼箱梁做負功，相當于鋼箱梁的部分動能由吊繩傳遞給了水體和掛籃。

(2)當耗能器轉筒位置的鋼箱梁由處于平衡位置并往上移動至最高位置過程中，掛籃在吊繩牽引下由下往上減速運動，掛籃和其內水體動能減小，但同樣驅動掛籃上方及下方部分水體流動，通過流體摩擦耗能；當掛籃隨鋼箱梁上升的速度進一步減小后，部分流體在慣性作用下上升速度大于掛籃，流體沖開掛籃頂板通水孔的蓋板，此時具有較大動能密度的水體離開掛籃，周邊水體補充流入，形成局部小循環，掛籃內水體動能迅速流失；由于吊繩為柔性，掛籃只能被鋼箱梁拉動，而不能推動鋼箱梁運動，因此，這過程中初始階段掛籃給鋼箱梁做負功，減小鋼箱梁動能，后期掛籃內水體動能流入周圍水體，其不給鋼箱梁做功。

(3)當耗能器轉筒位置的鋼箱梁由處于最高位置并往下移動至最低位置過程中，掛籃在重力作用下克服水體阻力下降，此時掛籃頂板通水孔的蓋板被水體阻力沖開，其可減小水體阻力保證掛籃與鋼箱梁同時達到最低位置。在這個過程中，掛籃勢能減小，部分勢能被水體阻尼耗散，部分勢能通過吊繩給鋼箱梁做正功，被鋼箱梁吸收。但由于在整個振動周期中，掛籃勢能的變化為零，可以不考慮掛籃勢能變化。因此，此過程中，水體同樣在吸收鋼箱梁的動能。

在有人力或其它控制手段參與下，掛籃進入水體內，在重力作用下張緊吊繩。通過觀察，轉動轉筒，提升掛籃至水面位置，部分露出掛籃上部，旋轉抱緊裝置的抱緊螺桿固定吊繩。此時吸耗能器的吸能與耗能原理按鋼箱梁振動一個周期分為三個階段：

(1)當抱緊裝置位置的鋼箱梁由處于最低位置(掛籃全部浸沒水中)并往上移動至平衡位置過程中，掛籃在吊繩牽引下由下往上加速運動，此時掛籃頂板通水孔的蓋板因水的流動閉合，掛籃和其內水體動能增加，并驅動掛籃上方及下方部分水體流動，所有動能來源于吊繩驅動掛籃所做的功。與此同時，掛籃勢能也增加，但由于在整個振動周期中，掛籃勢能的變化為零，因此不分析勢能的變化。吊繩給掛籃及水體做功的同時也給鋼箱梁做負功，相當于鋼箱梁的部分動能由吊繩傳遞給了水體和掛籃。

(2)當掛籃頂板剛露出水面，鋼箱梁繼續往上移動至最高位置過程中，掛籃內高出水面的液體(水)的體積和高度隨掛籃高度增加而增加，液體勢能增加可視為E＝ρgAh²，其中ρ為水密度，g為重力加速度，A為提升液體的橫截面面積，h為提升液體高出水面的高度；當掛籃隨鋼箱梁上升到一定高度后，掛籃外框下緣首先高出水面，空氣從下方進入掛籃外框與中筒之間，其內液體在重力作用下流出掛籃，液體勢能變為動能進入水體；當鋼箱梁繼續往上移動，可能導致中筒下緣高出水面，同理空氣從中筒下緣進入掛籃中筒與內筒之間，其內液體在重力作用下流出掛籃，液體勢能變為動能進入水體；當鋼箱梁繼續往上移動，可能導致內筒下緣高出水面，同理空氣從內筒下緣進入內筒，其內液體在重力作用下流出掛籃，液體勢能變為動能進入水體。

(3)當耗能器轉筒位置的鋼箱梁由處于最高位置并往下移動至最低位置過程中，掛籃在重力作用下克服水體阻力下降，此時掛籃頂板通水孔的蓋板被 水體阻力沖開，其可減小水體阻力保證掛籃與鋼箱梁同時達到最低位置。在這過程中，掛籃勢能減小，部分勢能被水體阻尼耗散，部分勢能通過吊繩給鋼箱梁做正功，被鋼箱梁吸收。但由于在整個振動周期中，掛籃勢能的變化為零，可以不考慮掛籃勢能變化。因此，此過程中，水體同樣在吸收鋼箱梁的動能。

當風速減小后，橋梁停止發生大幅振動，可以人力或其它動力設施轉動轉筒、提升掛籃，并通過鋼箱梁底板所設置的操作孔，使掛籃傾斜進入方形凹洞后安裝就位。

吊繩下方所設置的保險繩可保證掛籃在遇到船只撞擊、纏繞時被拉斷，避免意外事故的發生。

本實用新型的有益效果及創新點如下：

(1)在無外加控制因素時，對于發生較大幅度的橋梁主梁(鋼箱梁)，通過吊繩連接鋼箱梁和掛籃，驅動掛籃及其內和周邊小范圍內液體(水)在水中運動(掛籃總處于水面下)，實現將鋼箱梁動能傳遞給掛籃及其內液體，其內液體在具有最大動能密度(動能/體積)時，其迅速向周圍水體流動，帶走其內液體動能，實現主梁振動每一個周期實現掛籃內液體吸能和排能(排向周圍水體，為下一次吸能準備)一次；同時掛籃的運動，與周邊水體產生摩擦，通過摩擦同時消耗部分能力。

(2)在有外加控制因素時，將掛籃提升至水面位置附近，在主梁的每一個振動周期內，吸耗能器可分步實現：掛籃與水體摩擦耗能(掛籃在水中)；主梁振動機械能(包括動能與形變勢能)轉變為掛籃內液體重力勢能，重力勢能流失進入水體，不再轉換成主梁振動機械能，實現吸耗主梁振動機械能，從而抑制主梁振動。

(3)通過彈性限位裝置保持掛籃在小擾動時的平衡。

(4)通過彈性限位裝置、減小摩擦的圓形滾珠，并利用橋梁一定幅度振動的主梁傾斜角度，實現吸耗能器掛籃的自動脫落，從而自動開啟吸耗能器的工作；當吸耗能器完成工作后，吸耗能器能方便地重新歸位，等待下一次工作的啟動，最大限度減小對航道通航的影響。

(5)通過掛籃頂板通水孔及蓋板的設計，下落時水力作用將蓋板打開，減小流體對掛籃阻力，保證掛籃迅速下沉，與鋼箱梁同時達到最低位置；在鋼箱梁牽引掛籃加速上升時，水力作用將蓋板關閉，保證掛籃內水體與掛籃具有相同的速度，實現盡量多的動能從鋼箱梁向水體的傳遞。

(6)吊繩保險繩的設計，避免意外事故的發生。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例的整體側面結構示意圖。

圖2是圖1中掛籃的縱剖視圖。

圖3是圖2的B-B剖視圖。

圖4是圖1中C處的放大圖。

圖5是圖1中抱緊裝置的縱剖視圖。

圖6是圖5的D-D剖視圖。

圖7是圖1中掛籃落入水中的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細的描述。

參見圖1，本實施例的吸耗能器利用橋梁結構上的箱體式的鋼箱梁24，在鋼箱梁24的底部改造加工有一個方形凹洞25。本實施例的吸耗能器還包括一個掛籃5；參見圖2、圖3，掛籃5包括方形的掛籃外框16，掛籃外框16內依次套有圓筒形的掛籃中筒19和掛籃內筒20，掛籃外框16、掛籃中筒19和掛 藍內筒20的頂部固連有掛籃頂板21，從圖2中可見，掛籃底部為敞口，且掛籃外框16、掛籃中筒19、掛籃內筒20的高度依次增大；掛籃頂板21上均勻開有若干通水孔18，通水孔18之上鉸接有蓋板17，未工作時蓋板17通過扭轉彈簧(圖中未畫出)處于蓋緊狀態，扭轉彈簧的預緊力小，保證蓋板17下方水流能輕松沖開蓋板。同時參見圖7，掛籃5上部四個角上分別連接有一根吊繩22，四根吊繩22的另一端等長度綁扎在一起后的結點通過保險繩23再與吊繩22連接，然后，吊繩22的另一端穿過安裝于方形凹洞25的頂板26上的抱緊裝置4，再繞過安裝于鋼箱梁24的頂板1上的滑輪2后，纏繞在安裝于鋼箱梁24的頂板1上的轉筒3上。保險繩23的拉扯強度小于吊繩22的強度，以保證掛籃5在遇到船只撞擊、纏繞時，保險繩23被拉斷，避免意外事故的發生。吊繩22的長度保證掛籃5能夠沉沒于橋下水中，但不能接觸到水底。掛籃5放置于鋼箱梁24底部的方形凹洞25內，在方形凹洞25底部的四個角上分別設置有一塊水平托板10，同時參見圖4，水平托板10上設置有豎直擋板8，豎直擋板8通過限位彈簧9與方形凹洞25的側板27底部連接，在掛籃外框16底部四個直角內分別設置有一個水平角板7；豎直擋板8通過限位彈簧9的彈力與掛籃外框16底部緊靠，掛籃外框16底部四個角通過圓形滾珠6支撐于方形凹洞25底部的四個水平托板10上；水平托板10的尺寸及限位彈簧9彈力的設計保證掛籃5處于方形凹洞25中心并保持平衡，并且在風的直接作用下不產生足夠滑落的側移，但在鋼箱梁24發生一定的傾斜角度時滑落。

參見圖5、圖6，抱緊裝置4包括一個上、下開口的圓形外筒11，外筒11的下部套裝有一個上、下開口的圓形內筒15，內筒15之上的外筒11內安裝有一塊圓弧形的定閘瓦12和一塊圓弧形的動閘瓦13，動閘瓦13上連接有一根抱緊螺桿14，抱緊螺桿14伸出于外筒11之外，通過旋轉抱緊螺桿14推動動閘 瓦13能調節定閘瓦12和動閘瓦13所圍合的圓孔的大小；抱緊裝置4安裝于方形凹洞25的頂板26上，頂板26上開有對應于抱緊裝置4中心孔的通孔，以便于吊繩22穿過。吊繩22在抱緊裝置4的中心孔內穿過，通過旋轉抱緊螺桿14推動定閘瓦13，可實現對吊繩22的抱緊和放松。

與本實用新型實施例不同的可能的改造是：

(1)將吸耗能器安裝于鋼箱梁外側，將轉筒安裝于懸索橋主纜，即采用不同的安裝部位。

(2)在掛籃部位安裝葉片或風扇，既耗能，又將部分能量轉化為電能或其它能量，驅動警示燈或聲音報警。

(3)將掛籃形式變化，如多層掛籃增大耗能效率，流線型減小流水及風的水平作用力，在掛籃外加防撞裝置保證安全。

(4)吊繩上或鋼箱梁底安裝警示裝置。

(5)在掛籃與水平托板間采用其它減小摩擦裝置，如：加萬向輪、潤滑油、磁懸浮等。

(6)將自開啟改為手動、電動、遙控或其它能量輸入方式。

(7)該吸耗能器同樣適用于其它流體介質。

(8)通過增加遠程觀察和控制系統，可在船只經過時及時提升掛籃，避免船只碰撞。

(9)將掛籃做成具有更多層筒體。

因此，以上所述僅為本實用新型的較佳或較簡實施例，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型構思和原理之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。