本發明涉及橋梁振動控制
技術領域：
，具體涉及一種超低頻液體質量調諧阻尼器。
背景技術：
：橋梁結構在外界風、車輛等荷載的作用下容易發生振動，并造成車輛及行人的不適、橋梁的疲勞損傷積累、縮短橋梁使用壽命，甚至造成橋梁結構的垮塌。如美國的塔科馬大橋(tacomanarrowsbridge)在風荷載激勵下垮塌。橋梁是否發生大幅振動，與外荷載的激勵頻率和橋梁自振頻率的比值有關，當二者基本接近時橋梁結構會以該自振頻率對應的振型發生共振。調諧質量阻尼器tmd(tunedmassdamper)通過調節阻尼器頻率使其接近橋梁結構的受控頻率(即橋梁需要被控制的振動頻率)，使阻尼器內的活動質量以大于橋梁結構的位移振幅振動，實現橋梁結構的振動能量的轉移，同時通過阻尼器內部的阻尼耗能裝置將傳遞至阻尼器的能量耗散，最終實現抑制橋梁結構振動的目的。對橋梁結構的受控模態，調諧類阻尼器提高了其模態阻尼，一方面使其在外界持續激勵下保持較小的振動響應，另一方面使結構的振動響應在外界激勵消失后，能夠迅速衰減。隨著橋梁跨度的增加，橋梁結構的自振頻率逐漸降低，如港珠澳大橋非通航孔的梁橋的受控頻率約為0.33hz，而懸索橋或者斜拉橋的主梁豎向振動頻率更低，以西堠門大橋為例，主梁一至十階豎彎渦振頻率在0.079hz～0.374hz之間，現場實測的主梁渦激振動結果發現，主梁即使發生了較高階的豎向彎曲模態，其頻率也在0.23hz～0.32hz。采用調諧質量阻尼器理論上能夠有效抑制上述振動，而阻尼器要發揮調諧減振作用，必須使阻尼器頻率低至上述頻率。常規tmd實現超低頻的主要難點在于，彈簧剛度太小和難以平衡質量塊的自重。若直接純依靠彈簧彈性力平衡質量塊重力，則其彈簧的靜力伸長量為：上式中，δ為彈簧靜力伸長量(單位為m)，m為質量塊質量(單位為kg)，k為彈簧剛度(單位為n/m)，g為重力加速度(單位：m/s2)，f為阻尼器頻率(單位為hz)。從上述公式可以看出，彈簧的靜力伸長量δ與頻率f的平方成反比，隨著頻率的降低，彈簧靜力伸長量會迅速增大，減振器所占空間和質量也會迅速增大，而為達到如此大的伸長量，同時保證彈簧鋼絲應力滿足設計規范要求，彈簧鋼絲的直徑和總長也會迅速增大，從而導致其質量迅速增大。下表為阻尼器在超低頻時的頻率與彈簧靜力變形量、彈簧質量比(彈簧質量/質量塊質量)的對應關系表：表1常規tmd在超低頻時頻率、彈簧靜力伸長量、彈簧質量占比對應關系表常規tmd頻率(hz)彈簧靜力伸長量(m)彈簧質量/質量塊質量0.50.9919％0.41.5524％0.32.7652％0.26.21101％0.124.82250％注：彈簧設計應力[σ]＝370mpa。通過上表可以看出，隨著需求頻率的降低，彈簧長度和質量會迅速增大，對于常規tmd而言，自振頻率為0.3hz～0.5hz時較難實現，0.3hz以下則難以實現。為了解決上述問題，如圖1所示，日本東京灣橋為實現0.33hz的頻率阻尼器，采用了一種杠桿式tmd，利用放大倍數為5的杠桿放大作用，使彈簧的靜力壓縮量減小了5倍，原彈簧變形量從2.28m減小至0.46m。該方案雖然通過杠桿轉換，壓縮了安裝空間，但也存在以下缺點：1、并不能減小彈簧用量，且該阻尼器需要復雜的杠桿傳遞系統，構造較復雜，制造精度要求很高，現場組裝難度大，其支座、支架、杠桿、鉸節點等對減振無效的材料均大幅增大了減振成本。2、難以進一步降低頻率，而且同時該阻尼器需要復雜的杠桿傳遞系統，由于轉動鉸多，轉動鉸處軸承的轉動摩擦作用使阻尼器的初始阻尼增大，不僅對小振幅不敏感，而且很難將阻尼器的阻尼參數調節至最優。由于上述缺陷，該方案很難推廣應用至更低頻率的結構振動控制。技術實現要素：針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種超低頻液體質量調諧阻尼器，可在滿足0.5hz以下的結構振動控制需求同時，大幅降低彈簧的靜力伸長量，減小阻尼器彈簧用量與安裝空間，適應實際施工對阻尼器安裝空間的限制需求。為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：一種超低頻液體質量調諧阻尼器，包括：阻尼箱，所述阻尼箱內設有彈簧組，所述彈簧組一端固定在所述阻尼箱上，所述彈簧組另一端連接有一質量塊，所述阻尼箱內盛有阻尼液，所述質量塊完全浸沒或半浸沒在所述阻尼液中，所述超低頻液體質量調諧阻尼器的阻尼比為3％～35％，固有頻率為0.05～0.5hz。在上述技術方案的基礎上，所述阻尼箱上部固設有一連接板，所述彈簧組固定在所述連接板上。在上述技術方案的基礎上，所述彈簧組包括設于所述質量塊上方的第一彈簧組和與所述第一彈簧組相對設置、設于所述質量塊下方的第二彈簧組，所述第二彈簧組一端與所述阻尼箱底板相連。在上述技術方案的基礎上，所述彈簧組為圓柱螺旋拉伸彈簧或圓柱螺旋壓縮彈簧，所述彈簧組均勻固設于所述質量塊的上方或相對設置在所述質量塊的上方和下方。在上述技術方案的基礎上，所述質量塊可以是實心結構，也可以是中空結構。在上述技術方案的基礎上，所述質量塊上設有過流孔，所述過流孔為開孔方向與所述彈簧組軸線一致的通孔。在上述技術方案的基礎上，所述質量塊為流線體或鈍體。在上述技術方案的基礎上，所述質量塊設有至少一組翼板，所述翼板由所述質量塊水平向外延伸形成，每組翼板包括相對設于所述質量塊兩側的兩個翼板。本發明還提供一種如上所述的超低頻液體質量調諧阻尼器的設計方法，包括以下步驟：步驟1：根據減振目標確定所述超低頻液體質量調諧阻尼器中活動質量塊的質量m，目標頻率f和目標阻尼比ξ；步驟2：根據超低頻液體質量調諧阻尼器的振幅和允許空間確定彈簧的靜力變形量δ；步驟3：根據目標阻尼比ξ初步確定質量塊的形狀；步驟4：根據質量塊的形狀和頻率f試驗確定附加液體質量δm；步驟5：根據公式k＝(2πf)2·(m+δm)確定彈簧組的剛度k；步驟6：根據公式m·g＝ρ·g·v+k·δ確定質量塊的等效密度；步驟7：實測阻尼器的頻率，若偏差較大，通過改變彈簧剛度k進行調節，若偏差較小，通過改變質量塊的質量或等效密度進行調節，使頻率f和彈簧靜力變形量δ滿足要求；步驟8：實測阻尼器的阻尼比，若有偏差，改變質量塊的形狀或間隙調整阻尼比；步驟9：重復步驟7和步驟8，直至頻率和阻尼比均滿足要求。在上述技術方案的基礎上，在步驟3中，如阻尼比ξ較大，選擇阻尼系數cd大的鈍體質量塊；如阻尼比ξ較小，選擇阻尼系數cd小的流線型質量塊。與現有技術相比，本發明的優點在于：(1)本發明的超低頻液體質量調諧阻尼器充分利用阻尼液的附加質量，輔以液體的浮力作用，在實現阻尼器小于0.5hz超低頻減振功能同時大幅降低彈簧的靜力伸長量，減小阻尼器彈簧用量與安裝空間，適應實際施工對阻尼器安裝空間的限制需求，同時提高了減振裝置的性價比。(2)本發明的超低頻液體質量調諧阻尼器中由于阻尼液的附加質量作用，在設計頻率不變的前提下，提高了彈簧的剛度，有利于保持阻尼器在運動過程中的穩定，防止了因外界微小振動引起的阻尼器傾斜、橫向擺動等問題。(3)本發明的超低頻液體質量調諧阻尼器的阻尼參數可通過改變質量塊和翼板的形狀、質量塊與阻尼箱的間隙較方便地調整；同時可通過調整質量塊的密度，調節質量塊的浮力與質量塊的重力之比，調整彈簧的靜力伸長量，較方便地適應橋梁現場的安裝空間要求。(4)本發明的超低頻液體質量調諧阻尼器為無摩擦構造，在微幅下即可啟動，對小振幅振動也有很好的控制效果。附圖說明圖1為日本東京灣橋杠桿式tmd的結構示意圖；圖2為本發明一個實施例中超低頻液體質量調諧阻尼器的結構示意圖；圖3為本發明另一個實施例中超低頻液體質量調諧阻尼器的結構示意圖；圖4為本發明另一個實施例中超低頻液體質量調諧阻尼器的結構示意圖；圖5為本發明另一個實施例中超低頻液體質量調諧阻尼器的結構示意圖；圖6為本發明另一個實施例中質量塊的俯視圖；圖7為圖6中a-a截面的剖視圖。圖中：1-質量塊，2-第一彈簧組，3-第二彈簧組，4-阻尼箱，5-阻尼液，6-連接板，7-翼板，8-過流孔。具體實施方式以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。實施例1參見圖2所示，本發明實施例提供一種超低頻液體質量調諧阻尼器，包括：阻尼箱，所述阻尼箱內設有彈簧組，所述彈簧組一端固定在所述阻尼箱上，所述彈簧組另一端連接有一質量塊，所述阻尼箱內盛有阻尼液，所述質量塊完全浸沒或半浸沒在所述阻尼液中。在阻尼箱上部固設有一連接板，彈簧組固定在連接板上。這種連接方式可將阻尼箱與彈簧組連為整體，在受到振動作用時更好的傳遞振動，并由阻尼液和彈簧組更充分的進行阻尼作用，提升阻尼器減振效果。還可在質量塊側方設置翼板，每組翼板位于垂直于所述彈簧組軸線的同一平面上。翼板的設置可增大阻尼器吸振時阻尼液與質量塊之間的有效阻尼面積，更加充分的利用阻尼液的附加質量，提升阻尼裝置的穩定性。裝置中的彈簧組選用圓柱螺旋彈簧，可根據實際需求選擇其具體種類。本實施例中彈簧組包括兩根均布于質量塊的上方的圓柱螺旋拉伸彈簧。實施例2參見圖3所示，本實施例與實施例1的區別在于，其彈簧組包括設于所述質量塊上方的第一彈簧組和與第一彈簧組相對設置、設于所述質量塊下方的第二彈簧組，第二彈簧組一端與阻尼箱底板相連。本實施例中第一彈簧組為兩根圓柱螺旋彈簧，第二彈簧組為兩根圓柱螺旋壓縮彈簧。實施例3參見圖4所示，本實施例與實施例1的區別一是在于其彈簧組的構型和固定結構有細微差異，雖然都是兩根均布于質量塊上方的圓柱螺旋拉伸彈簧；區別二是其質量塊上設有過流孔，過流孔為開孔方向與所述彈簧組的通孔。過流孔的設置可使得阻尼液在質量塊受到振動作用運動時由過流孔中流過，即可通過這種結構設置調節裝置的阻尼系數。實施例4參見圖5所示，本實施例與實施例1的區別在于，其彈簧組包括設于所述質量塊上方的第一彈簧組和與第一彈簧組相對設置、設于所述質量塊下方的第二彈簧組，第二彈簧組一端與阻尼箱底板相連。本實施例中第一彈簧組和第二彈簧組分別為相對設置在質量塊上下的兩根圓柱螺旋拉伸彈簧。本發明超低頻液體質量調諧阻尼器的工作原理為：當阻尼器工作時，質量塊在阻尼液體中上下振動，質量塊帶動部分阻尼液發生振動，由于阻尼液的流固耦合作用，為阻尼器提供了附加液體質量δm(理論分析和試驗證明可達到m的2～4倍)，調節質量塊及其翼板形狀可改變δm，從而調整頻率f：從上式可以看出，若彈簧剛度值k與常規tmd相同，本發明tlmd的頻率將會大幅降低。同時由于阻尼液的壓差阻力，能約束質量塊的橫向擺動問題，有效的保證了超低頻阻尼器在運動過程中的穩定性。當阻尼器處于靜力平衡位置時，質量塊受到重力m·g、阻尼液的浮力ρ·g·v和彈簧的彈性力k·δ，三者共同作用使質量塊處于平衡狀態，即：m·g＝ρ·g·v+k·δ(3)推導出本發明彈簧的靜力伸長量為：而常規tmd的彈簧靜力伸長量為：其中，m為活動質量塊的質量，g為重力加速度，ρ為阻尼液的密度，v為活動質量塊排開阻尼液的體積，k為彈簧組的總剛度，δ為彈簧的靜力變形量。由于流固耦合作用，當f為0.1～0.2hz時，附加液體質量δm可達到m的4～5倍，比較(4)和(5)可見，本發明tlmd和常規tmd頻率f相同時，由于流體的附加質量作用，本發明tlmd的彈簧靜力伸長量可大幅降低至常規tmd的20％以下；若本發明tlmd中彈簧總剛度k與常規tmd的彈簧總剛度k相同，本發明的tlmd的靜力壓縮量可以大幅降低。通過調節質量塊的等效密度，調整阻尼液的浮力，可使彈簧靜力伸長量進一步下降，調整浮力與彈簧彈性力之比，使阻尼器在工作過程中彈簧始終保持受拉(或受壓)及良好的線性度，解決常規tmd彈簧伸長量過大的問題。超低頻tlmd的阻尼參數與質量塊以及翼板的形狀、質量塊與阻尼箱內壁的間隙、頻率、阻尼液的粘度系數等參數相關。其中，1)質量塊及翼板的形狀、質量塊與阻尼箱內壁的間隙，決定了質量塊在阻尼液運動時的阻尼系數cd，阻尼系數大者阻力大，阻尼系數小者阻力小，一般而言流線型外形的阻尼系數較小，而鈍體的阻尼系數較大。2)超低頻tlmd中的阻尼參數最終以阻尼比ξ的方式呈現，阻尼比不但與阻尼力大小有關，還與頻率有關，相同阻尼力下，阻尼比隨著頻率降低而增大，在本發明適用的工作環境中，阻尼器的固有頻率要求在0.05～0.5hz范圍內，此時的阻尼比為3％～35％。3)阻尼液的粘度系數也會影響阻尼參數的大小，阻尼參數隨著阻尼液粘度系數的增大而增大。在選擇阻尼液時，可選擇粘溫特性平穩的阻尼液，以保證超低頻tlmd在工作時的阻尼參數保持穩定，同時對阻尼器的阻尼參數進行一定的調節。本發明為無摩擦構造，質量塊與阻尼箱不發生機械接觸和摩擦，使得tlmd在微幅下即可啟動，對小振幅也有很好的控制效果，可將振動消除于萌芽狀態。同時由于無需設置結構復雜、價格昂貴的常用阻尼裝置，同時避免使用復雜的杠桿結構，彈簧用量大幅降低，從而大幅提升減振裝置的性價比。本發明實施例還提供一種如上所述的超低頻液體質量調諧阻尼器的設計方法，包括以下步驟：步驟1：根據減振目標確定所述超低頻液體質量調諧阻尼器中活動質量塊的質量m，目標頻率f和目標阻尼比ξ；步驟2：根據超低頻液體質量調諧阻尼器的振幅和允許空間確定彈簧的靜力變形量δ；步驟3：根據目標阻尼比ξ初步確定質量塊的形狀；步驟4：根據質量塊的形狀和頻率f試驗確定附加液體質量δm；步驟5：根據公式k＝(2πf)2·(m+δm)確定彈簧組的剛度k；步驟6：根據公式m·g＝ρ·g·v+k·δ確定質量塊的等效密度；步驟7：實測阻尼器的頻率，若偏差較大，通過改變彈簧剛度k進行調節，若偏差較小，通過改變質量塊的質量或等效密度進行調節，使頻率f和彈簧靜力變形量δ滿足要求；步驟8：實測阻尼器的阻尼比，若有偏差，改變質量塊的形狀或間隙調整阻尼比；步驟9：重復步驟7和步驟8，直至頻率和阻尼比均滿足要求。在步驟3中，可根據目標阻尼比ξ的實際需求選擇質量塊的形狀，其原則為：如阻尼比ξ較大，選擇阻尼系數cd大的形狀；如阻尼比ξ較小，選擇阻尼系數cd小的形狀。在步驟7中，可通過改變彈簧外徑、圈數、材料等因素調整彈簧剛度，通常采用更換彈簧，改變彈簧外徑和圈數的方式進行，一般外徑越大、圈數越多，剛度越小。下面就一種具體的超低頻液體質量調諧阻尼器設計案例進行說明：需要設計一種超低頻tlmd阻尼器，活動質量塊的質量為200kg，目標頻率為0.11hz，目標阻尼比為10％。阻尼器的活動質量m設計為200kg，因目標阻尼比適中，質量塊選用較常規的空心密封箱形鋼結構，尺寸為1000×650×272mm(浮力176.8kg)，采用4根圓柱螺旋拉伸彈簧將質量塊懸吊固定在連接板上，連接板與阻尼箱上部固定，阻尼箱的尺寸為1200×850×1600mm，連接板與橋梁結構固定。阻尼器總高度為1.6m，阻尼箱內阻尼液高度為1000mm，質量塊浸沒在阻尼液內，考慮阻尼液的附加液體質量后，根據公式k＝(2πf)2·(m+δm)計算得出彈簧的總剛度為472n/m；又由于質量塊的設計振幅為±300mm，根據公式(4)計算得到彈簧的靜力伸長量為492mm，隨后通過公式(3)得出質量塊的等效密度，并得出質量塊的等效密度與阻尼液的密度比為1.13：1。隨后實測阻尼器的頻率和阻尼比，阻尼器實測阻尼比為10.5％，實測頻率為0.113hz，基本達到設計要求，確定設計方案。如設計要求還需進一步細化，后續還可根據公式(2)，改變質量塊的形狀或間隙調整阻尼比。下面將本實施例與常規tmd設計方案進行對比。表2本發明實施例與常規tmd設計參數對比表從上表可以看出，在活動質量塊和目標頻率相同的前提下，本發明實施例設計的阻尼器與常規阻尼器相比，彈簧總質量降低為常規tmd的1/80，阻尼器總高度由常規tmd的21m以上降低至1.6m，常規tmd無法適應現有大跨徑橋梁箱梁空間需求，需采用復雜的杠桿結構，而本發明的tlmd可用極簡單的構造適應現有大跨徑橋梁現場安裝的空間要求。本發明不局限于上述實施方式，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。當前第1頁12