《一种辅助拱形钢桥塔制振的可旋转式MTMD系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种辅助拱形钢桥塔制振的可旋转式MTMD系统.pdf（22页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、10申请公布号CN103410091A43申请公布日20131127CN103410091ACN103410091A21申请号201310308819X22申请日20130722E01D19/14200601E01D19/0020060171申请人长安大学地址710064陕西省西安市南二环中段33号72发明人李宇王新王森车艳阳胡文哲李加武白桦74专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人汪人和54发明名称一种辅助拱形钢桥塔制振的可旋转式MTMD系统57摘要本发明公开了一种辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，包括若干个TMD模块，所述TMD模块设有钢板底板，所述钢板底板上设有质。
2、量块、两块竖立的钢板及两个阻尼器，所述质量块左右两侧均通过弹簧与所述竖立的钢板相连接，所述两个阻尼器均衡的设置在所述质量块的前后两侧，所述阻尼器的一端与所述竖立的钢板相连接，另一端与所述质量块上的卡槽固定连接，所述两块竖立的钢板的两端均设置有可360转动的转轮，所述竖立的钢板的侧面连接有角钢连接件。本发明适用于拱形钢桥塔在强风作用下的振动控制，并通过旋转来控制施工和成桥阶段的不同桥塔结构体系的拱形钢桥塔，进而减轻施工和成塔状态钢拱塔的风致振动，保障钢拱塔施工质量。51INTCL权利要求书1页说明书6页附图14页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图14页1。
3、0申请公布号CN103410091ACN103410091A1/1页21一种辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，其特征在于，包括若干个TMD模块，所述TMD模块设有钢板底板，所述钢板底板上设有质量块1、两块竖立的钢板9及两个阻尼器4，所述质量块1左右两侧均通过弹簧2与竖立的钢板9相连接，所述两个阻尼器4均衡的设置在质量块1的前后两侧，所述阻尼器4的一端与竖立的钢板9相连接，另一端与所述质量块1上的卡槽固定连接，所述竖立的钢板9的两端设置有可360转动的转轮3，所述竖立的钢板9的侧面连接有角钢连接件7。2根据权利要求1所述的辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，其特征在于，所述角钢连接件7。
4、上设有若干个高强螺栓8。3根据权利要求1所述的辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，其特征在于，所述钢板底板的上端及下端均设有若干个预留螺栓孔5。4根据权利要求1所述的辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，其特征在于，所述质量块1的下面安装有两根滚动轴承6。5根据权利要求1所述的辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，其特征在于，所述质量块1与所述弹簧2通过垫圈及螺栓固定连接。6根据权利要求1所述的辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，其特征在于，所述质量块1的横截面为正方形，所述正方形的边长为1800MM。7根据权利要求1所述的辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，其特征在于，所述质。
5、量块1为混凝土块或铅块当所述质量块1为混凝土块时，所述卡槽的尺寸为11M当所述质量块1为铅块时，所述卡槽尺寸为0606M。权利要求书CN103410091A1/6页3一种辅助拱形钢桥塔制振的可旋转式MTMD系统技术领域0001本发明属于桥梁设计领域，涉及一种辅助拱形钢塔制振系统，具体涉及一种辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统。背景技术0002拱形钢塔是一种结构比较新颖的高耸建筑物，但该类型的桥塔风振响应比较明显，为了满足钢拱塔的变形要求，一般要求对结构进行振动控制。调谐质量阻尼器TUNEDMASSDAMPER简称TMD对结构风振响应的控制是有效的，但是，单个TMD的控制效果对其频率较为敏感。
6、，当频率略微偏离设计值时，控制效果便会极大下降，而采用多个TMDMULTIPLETUNEDMASSDAMPERS简称MTMD使其频率分布在一定范围内，则能提高控制系统的鲁棒性，以达到较好的减振效果。但是，目前尚没有适用于拱形钢桥塔的MTMD系统，而且已有的MTMD系统不能同时控制施工和成桥阶段的桥塔振动。发明内容0003本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统，该系统能够增大拱形钢桥的振动频率范围，同时具体有鲁棒性。0004为达到上述目的，本发明所述的辅助拱形钢塔制振的可旋转式MTMD系统包括若干个TMD模块，所述TMD模块设有钢板底板，所。
7、述钢板底板上设有质量块、两块竖立的钢板及两个阻尼器，所述质量块左右两侧均通过弹簧与所述竖立的钢板相连接，所述两个阻尼器均衡的设置在所述质量块的前后两侧，所述阻尼器的一端与所述竖立的钢板相连接，另一端与所述质量块上的卡槽固定连接，所述竖立的钢板的两端设置有可360转动的转轮，所述竖立的钢板的侧面连接有角钢连接件。0005所述角钢连接件上设有若干个高强螺栓。0006所述钢板底板的上端及下端均设有若干个预留螺栓孔。0007所述质量块的下面安装有两根滚动轴承。0008所述质量块与所述弹簧通过垫圈及螺栓固定连接。0009所述质量块的横截面为正方形，所述正方形的边长为1800MM。0010所述质量块为混凝。
8、土块或铅块当所述质量块为混凝土块时，所述卡槽的尺寸为11M当所述质量块为铅块时，所述卡槽尺寸为0606M。0011与现有技术相比，本发明优点在于0012本发明设有若干个TMD模块，从而对结构控制时的有效控制频率不是一个单一数值，而是具有一定控制范围，同时在任何质量比的条件下，本发明的减振效果都比单个TMD系统的减振效果好，相对于单个TMD模块，本发明可以将单个又大又重的质量块分解为多个小而轻的质量块，有益于工程上制作、安装及使用，更容易在工程建设中推广，同时本发明可适用于拱形钢桥塔在强风作用下的振动控制，并可通过自身的旋转来控制施工和成桥阶段的不同桥塔结构体系的拱形钢桥塔，进而减轻施工和成塔状。
9、态钢拱塔的风致振动，以说明书CN103410091A2/6页4达到保障钢拱塔施工质量、施工设备及人员安全的目的。附图说明0013图1为桥塔不同施工状态对结构前6阶频率的影响0014图2为拱形钢桥塔的动力特性图0015图3为加设本发明的钢拱塔有限元模型0016图4为本发明中TMD模块的结构示意0017图5为本发明安装于施工及成桥的拱形钢桥塔的位置图0018图6为在施工阶段质量比对水平向位移响应影响的示意图图0019图7为在施工阶段质量比对水平向加速度响应时程影响的示意图0020图8为在施工阶段质量比对水平向加速度响应时程影响的曲线图0021图9为在施工阶段质量比对水平向位移减震率绘成影响的曲线图。
10、0022图10为在施工阶段TMD模块的数量对水平位移响应影响的示意图0023图11为在施工阶段TMD模块的数量对水平向加速度响应时程影响的示意图0024图12为在施工阶段TMD模块的数量对水平向加速度响应时程影响的曲线图0025图13为在施工阶段TMD模块的数量对水平向位移减震率绘成影响的曲线图0026图14为在施工阶段阻尼比对水平位移响应影响的示意图0027图15为在施工阶段阻尼比对水平向加速度响应时程影响的示意图0028图16为在施工阶段阻尼比对水平向加速度响应时程影响的曲线图0029图17为在施工阶段阻尼比对水平向位移减震率绘成影响的曲线图0030图18为在施工阶段带宽对水平位移响应影响。
11、的示意图0031图19为在施工阶段带宽对水平向加速度响应时程影响的示意图0032图20为在施工阶段带宽对水平向加速度响应时程影响的曲线图0033图21为在施工阶段带宽对水平向位移减震率绘成影响的曲线图0034图22为在成桥阶段质量比对水平向位移响应影响的示意图图0035图23为在成桥阶段质量比对水平向加速度响应时程影响的示意图0036图24为在成桥阶段质量比对水平向加速度响应时程影响的曲线图0037图25为在成桥阶段质量比对水平向位移减震率绘成影响的曲线图0038图26为在成桥阶段TMD模块的数量对水平位移响应影响的示意图0039图27为在成桥阶段TMD模块的数量对水平向加速度响应时程影响的示。
12、意图0040图28为在成桥阶段TMD模块的数量对水平向加速度响应时程影响的曲线图0041图29为在成桥阶段TMD模块的数量对水平向位移减震率绘成影响的曲线图0042图30为在成桥阶段阻尼比对水平位移响应影响的示意图0043图31为在成桥阶段阻尼比对水平向加速度响应时程影响的示意图0044图32为在成桥阶段阻尼比对水平向加速度响应时程影响的曲线图0045图33为在成桥阶段阻尼比对水平向位移减震率绘成影响的曲线图0046图34为在成桥阶段带宽对水平位移响应影响的示意图0047图35为在成桥阶段带宽对水平向加速度响应时程影响的示意图0048图36为在成桥阶段带宽对水平向加速度响应时程影响的曲线图说明。
13、书CN103410091A3/6页50049图37为在施工阶段带宽对水平向位移减震率绘成影响的曲线图。0050其中，1为质量块、2为弹簧、3为转轮、4为阻尼器、5为预留螺栓孔、6为滚动轴承、7为角钢连接件、8为高强螺栓、9为竖立的钢板。具体实施方式0051下面结合附图对本发明做进一步详细描述0052参见图4，本发明包括若干个TMD模块，所述TMD模块设有钢板底板，所述钢板底板上设有质量块1、两块竖立的钢板9及两个阻尼器4，所述质量块1的横截面为正方形，所述正方形的边长为1800MM，所述质量块1的下表面安装有两根滚动轴承6，所述质量块1左右两侧均通过弹簧2与所述竖立的钢板9相连接，所述质量块1。
14、与所述弹簧2通过垫圈及螺栓固定连接，所述两个阻尼器4均衡的设置在所述质量块1的前后两侧，所述阻尼器4的一端与所述竖立的钢板9相连接，另一端与质量块1的卡槽固定连接，所述两块竖立的钢板9的两端均设有至可360转动的转轮3，所述竖立的钢板9的侧面连接有角钢连接件7，所述角钢连接件7上设有若干个高强螺栓8，所述钢板底板的上端及下端均设有若干个预留螺栓孔5。另外所述质量块1可以为混凝土块或者是铅块，当所述质量块1为混凝土块时，所述卡槽的尺寸为11M当所述质量块1为铅块，所述卡槽尺寸为0606M。0053本发明的具体安装过程及应用如下所示00541参考图1及图2，计算拱形钢塔施工及成塔状态的动力特性，从。
15、中可知当钢拱塔从施工状态变为成塔状态时，其基阶振型也由面内振动转变为面外振动，在这体系转换的过程中，钢拱塔容易发生风致振动00552参考图3，计算质量比、TMD模块的数量M、阻尼比T和带宽对本发明减振效果的影响，进而建议了施工和成塔状态的MTMD系统的最优参数值00563在拱形钢塔平台振动方向设置水平钢板作为底座，并在其上增设两个竖立的钢板9；00574将弹簧2的一端通过垫圈和螺栓固定在质量块1上，另一端固定在竖立的钢板9上00585将阻尼器4均衡地布置在质量块1的两侧，其一端可通过螺栓和夹板连接在竖立的钢板9上，另一端则固定在质量块1的卡槽上；00596将质量块1放置在中心位置处的卡槽内，如。
16、果质量块1为混凝土块，卡槽尺寸设计为11M，如为铅块，卡槽尺寸则为0606M；00607在质量块1下面安装滚轴，以减小其与钢板底座之间的摩擦00618在两个竖立钢板的两侧设置可360转动的转轮3，当施工状态时的面内振动控制完毕后，可拆除高强螺栓8，再采用起吊装置将TMD模块转动90以控制钢拱塔合拢后的面外振动，而另一个方向则预留螺栓孔5，以便TMD模块的固定。00629本发明的安装位置如图5所示，其中标注的TMD模块按照沿顺桥向两个并排的方式放置。对于施工状态的钢拱塔，需在现有支架的顶部再搭设一行支架，并在其上放置6个TMD模块，其余的TMD模块则放置在现有支架的顶部钢塔合拢后的各TMD模块放。
17、置在钢拱圈的内部。0063以下将说明本发明的质量比、TMD模块的数量M、阻尼比T和带宽在实际应说明书CN103410091A4/6页6用中对减振效果影响，本发明可以应用于拱形钢桥塔的施工阶段及拱形钢桥塔的内部，以下将进行具体的分析0064一施工阶段质量比的分析0065理论分析表明，质量比越大，本发明的减振效果越明显，但是随着质量比的增大，工程构造难度也随之上升，因此确定合理的质量比是本发明设计的关键步骤之一。本研究对质量比进行参数分析时，取TMD模块对数M8，阻尼比T005，带宽01，并对加设本发明的钢拱塔合拢阶段的有限元模型输入369M/S，在距离水面10M高度处所对应的脉动风速时程，进行动。
18、力时程分析。0066图6和图7分别给出了未加设本发明和加设本发明后，结构顶部水平向位移响应和加速度响应时程的对比结果，计算结果表明本发明能够减小结构位移和加速度响应，尤其是结构的加速度响应。0067为直观表达质量比对减振率的影响规律，将结构顶部水平向加速度和位移减振率绘成曲线，如图89所示。0068从图89中看出，随着质量比的增大，位移和加速度的减振率也随之增大，而且它们的增幅也十分地明显。当质量比T0015时，位移和加速度减振率都已趋于平缓，分别达到431和557。可见，在位移和加速度双控的目标下，质量比T0015是本发明的最优参数。综合考虑单个TMD模块对工程结构的影响，优选的取质量比T0。
19、015。0069二施工阶段TMD模块数量分析0070本研究分析TMD模块的数量对结构的减振效果时取质量比T002、阻尼比T005、带宽01，并对加设本发明的钢拱塔合拢阶段的有限元模型输入369M/S，在距离水面10M高度处所对应的脉动风速时程，进行动力时程分析，进而观察TMD模块的数量对结构减振率的影响。0071图1011分别给出了未加设本发明和加设本发明后，结构顶部水平向位移响应和加速度响应时程的对比结果，计算结果表明本发明能够减小结构位移和加速度响应，尤其是结构的加速度响应。0072为直观表达TMD模块的数量对减振率的影响规律，将结构顶部水平向加速度和位移减振率绘成曲线，如图1213所示，。
20、从中可以看出TMD模块的数量对位移和加速度减振率的影响是一致的，当TMD模块的数量为2时，结构位移和加速度减振率最小，随着TMD模块数量的增多，位移和加速度减振率逐渐增大，本发明的减振效果越趋明显。综合考虑本发明的质量比、阻尼比、带宽和工程施工难易程度，优选的取TMD模块的数量为12。0073三施工阶段阻尼比分析0074本研究对阻尼比T进行参数分析时，取质量比T002、带宽01、TMD模块数量N8，并对加设本发明的钢拱塔合拢阶段的有限元模型输入369M/S，在距离水面10M高度处所对应的脉动风速时程，进行动力时程分析，进而观察阻尼比对结构减振率的影响。0075图1415分别给出了未加设本发明和。
21、加设本发明后，结构顶部水平向位移响应和加速度响应时程的对比结果，计算结果表明本发明能够减小结构位移和加速度响应，尤其是结构的加速度响应。0076为直观表达阻尼比T对减振率的影响规律，将结构顶部水平向加速度和位移减说明书CN103410091A5/6页7振率绘成曲线，如图1617所示，从中可以看出随着阻尼比的增大，结构位移和加速度的减振率都随之增大，这是因为本发明所提供的阻尼增大了结构系统的总阻尼，进而消耗了更多的振动能量，进而减小了结构的位移和加速度响应。综合考虑本发明的质量比、阻尼比、带宽、TMD模块的出力以及冲程问题，优选的取阻尼比为50077四施工阶段宽带分析0078本发明之所以有良好的。
22、鲁棒性，主要原因在于它不同于单TMD模块仅有一个频率，而是多个TMD模块的频率按一定规则分布于中心频率两侧，具有一定的频带宽度。本研究对带宽进行参数分析时，取质量比T002、阻尼比005、TMD模块的数量N8，并对加设本发明的钢拱塔合拢阶段的有限元模型输入369M/S，在距离水面10M高度处所对应的脉动风速时程，进行动力时程分析，进而观察带宽对结构减振率的影响。0079图1819分别给出了未加设本发明和加设本发明后，结构顶部水平向位移响应和加速度响应时程的对比结果，计算结果表明本发明能够减小结构位移和加速度响应，尤其是结构的加速度响应。0080为直观表达带宽对减振率的影响规律，将结构顶部水平向。
23、加速度和位移减振率绘成曲线，如图2021所示，从中可以看出带宽对位移减振率的影响较小，而加速度减振率则随着带宽的增加而减小。可见，当带宽取值较小时，无法拓宽被控频带而带宽取值较大时，控制效果将损失很多。综合考虑本发明的质量比、阻尼比、TMD模块的数量和工程施工难易程度，优选的本发明的带宽为00501。00815成桥阶段质量比分析0082理论分析表明，质量比越大本发明减振效果越明显，但是随着质量比的增大，工程构造难度也随之上升，因此确定合理的质量比是本发明设计的关键步骤之一。在对质量比进行参数分析时，取TMD模块数M8，阻尼比005，带宽01，并对加设本发明的钢拱塔合拢后的有限元模型输入369M。
24、/S，在距离水面10M高度处所对应的脉动风速时程，进行动力时程分析。0083图22和图23分别给出了未加设本发明和加设本发明后，结构顶部水平向位移响应和加速度响应时程的对比结果，计算结果表明本发明能够减小结构位移和加速度响应，尤其是结构的加速度响应。0084从图245中看出，随着质量比的增大，位移和加速度的减振率也随之增大，而且它们的增幅也十分地明显。当质量比T0015时，位移和加速度减振率都已趋于平缓，分别达到613和767。可见，在位移和加速度双控的目标下，质量比T0015是本发明的最优参数。综合考虑单个TMD模块对工程结构的影响，优选的取质量比T0010015。0085六成桥阶段TMD模。
25、块数量分析0086本研究分析TMD模块的数量对结构的减振效果时取质量比T002、阻尼比T005、带宽02，并对加设本发明的钢拱塔合拢阶段的有限元模型输入369M/S，在距离水面10M高度处所对应的脉动风速时程，进行动力时程分析，进而观察TMD模块的数量对结构减振率的影响。0087图2627分别给出了未加设本发明和加设本发明后，结构顶部水平向位移响应和加速度响应时程的对比结果，计算结果表明本发明能够减小结构位移和加速度响应，说明书CN103410091A6/6页8尤其是结构的加速度响应。0088为直观表达TMD模块的数量对减振率的影响规律，将结构顶部水平向加速度和位移减振率绘成曲线，如图2829。
26、所示，从中可以看出TMD模块的数量对位移和加速度减振率的影响是一致的，当TMD模块的数量为2时，结构位移和加速度减振率最小，随着TMD模块数量的增多，位移和加速度减振率逐渐增大，本发明的减振效果越趋明显。综合考虑本发明的质量比、阻尼比、带宽和工程施工难易程度，优选的取TMD模块的数量为12。0089七成桥阶段阻尼比分析0090本研究对阻尼比T进行参数分析时，取质量比T002、带宽01、TMD模块数量N8，并对加设本发明的钢拱塔合拢阶段的有限元模型输入369M/S，在距离水面10M高度处所对应的脉动风速时程，进行动力时程分析，进而观察阻尼比对结构减振率的影响。0091图3031分别给出了未加设本。
27、发明和加设本发明后，结构顶部水平向位移响应和加速度响应时程的对比结果，计算结果表明本发明能够减小结构位移和加速度响应，尤其是结构的加速度响应。0092为直观表达阻尼比T对减振率的影响规律，将结构顶部水平向加速度和位移减振率绘成曲线，如图3233所示，从中可以看出随着阻尼比的增大，结构位移和加速度的减振率都随之增大，这是因为本发明所提供的阻尼增大了结构系统的总阻尼，进而消耗了更多的振动能量，进而减小了结构的位移和加速度响应。综合考虑本发明的质量比、阻尼比、带宽、TMD模块的出力以及冲程问题，优选的取阻尼比为5。0093八成桥阶段带宽分析0094本发明之所以有良好的鲁棒性，主要原因在于它不同于单T。
28、MD模块仅有一个频率，而是多个TMD模块的频率按一定规则分布于中心频率两侧，具有一定的频带宽度。本研究对带宽进行参数分析时，取质量比T002、阻尼比005、TMD模块数量N8，并对加设本发明的钢拱塔合拢阶段的有限元模型输入369M/S，在距离水面10M高度处所对应的脉动风速时程，进行动力时程分析，进而观察带宽对结构减振率的影响。0095图3435分别给出了未加设本发明和加设本发明后，结构顶部水平向位移响应和加速度响应时程的对比结果，计算结果表明本发明能够减小结构位移和加速度响应，尤其是结构的加速度响应。0096为直观表达带宽对减振率的影响规律，将结构顶部水平向加速度和位移减振率绘成曲线，如图3。
29、637所示，从中可以看出带宽对位移和加速度减振率的影响基本成倒V字形，即存在最优带宽值。当带宽取值较小时，无法拓宽被控频带而带宽取值较大时，控制效果将损失很多。从图中可以看出带宽015025时，位移和加速度的减振效果达到最优。综合考虑本发明的质量比、阻尼比、TMD模块的数量和工程施工难易程度，优选的取本发明的带宽为02。说明书CN103410091A1/14页9图1图2图3说明书附图CN103410091A2/14页10图4图5说明书附图CN103410091A103/14页11说明书附图CN103410091A114/14页12图8图9图10说明书附图CN103410091A125/14页1。
30、3图11图12图13说明书附图CN103410091A136/14页14图14图15说明书附图CN103410091A147/14页15图16图17图18说明书附图CN103410091A158/14页16图19图20图21说明书附图CN103410091A169/14页17图22图23说明书附图CN103410091A1710/14页18图24图25图26说明书附图CN103410091A1811/14页19图27图28图29说明书附图CN103410091A1912/14页20图30图31说明书附图CN103410091A2013/14页21图32图33图34说明书附图CN103410091A2114/14页22图35图36图37说明书附图CN103410091A22。