CN108797311A - 一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构减震技术领域，具体指一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器，同时公开了一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器设计方法；包括框架和阻尼元件，框架上竖直设有若干导轨，导轨下端与框架的底板固定连接，导轨上端穿设于框架的顶板上且与其配合连接；阻尼元件可上下活动地装配在若干导轨上，阻尼元件两端与顶板、底板之间均设有若干压簧；阻尼元件的上下端面上均设有导体板，顶板和底板上均设有永磁体阵列；本发明结构合理，永磁铁与导体板之间的相对距离发生改变时，两者之间会产生阻碍相对运动的阻尼力，能量最终在导体板内以热能的形式耗散掉，可有效减小索道桥的振动，具有阻尼易调节、无需后期维护、耐久性好且易装配等优点。

Description

一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器及设计方法

技术领域

本发明涉及结构减震技术领域，具体指一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器，同时公开了一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器设计方法。

背景技术

索道桥是一种以高强钢丝绳、钢绞线或平行钢丝束作为主要承重构件的桥梁。它以锚碇作为重要基础锚固整座桥梁承重索，以钢横梁及桥面板作为局部受力构件，具有刚度小、承载力高等特点。随着我国山区公路的大规模建设，索道桥应用越来越广泛，比如水利水电工程施工用临时桥梁，用于人群、车辆通行或运送建筑工程材料等；也可作为军事、救急救灾等紧急桥梁；可以跨越高深峡谷、水流急湍两岸陡峭的河流等，供人群、履带车和轮式车辆通行；还用于风景区索道桥，供游人行走等。由于索道桥主要承重结构为柔性构件，桥梁柔性较大，当车辆在桥上运行时索道桥极易产生大幅振动，这对桥梁的安全运营、使用寿命和行车舒适性均有较大影响，因此一般会采取增设减振装置来减小索道桥的大幅振动。

目前对桥梁结构振动的控制手段有很多，但对索道桥的振动控制的方法较少，主要采用调谐质量阻尼器对索道桥的振动进行振动控制。调谐质量阻尼器本身即为一个小的振动***，由质量块、弹性元件和阻尼元件组成。它对结构进行振动控制的机理是：原结构体系由于加入了调谐质量阻尼器，其动力特性发生了改变，原结构承受动力荷载而大幅振动时，由于调谐质量阻尼器质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力，其阻尼也发挥耗能作用，从而使原结构的振动反应明显减弱。

传统调谐质量阻尼器的阻尼原件一般采用橡胶高等阻尼材料和液体粘滞阻尼器。但是橡胶材料存在老化、刚度与阻尼不易分离等缺点，粘滞阻尼器存在漏油和不易养护等问题，而且传统调谐质量阻尼器的阻尼在后期均很难调节其阻尼系数，且耐久性差。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构合理、无直接接触、无需后续维护、阻尼力容易调节、使用寿命长的用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器,包括框架和阻尼元件，所述框架上竖直设有若干导轨，导轨下端与框架的底板固定连接，导轨上端穿设于框架的顶板上且与其配合连接；所述阻尼元件可上下活动地装配在若干导轨上，阻尼元件两端与顶板、底板之间均设有若干压簧；所述阻尼元件的上下端面上均设有导体板，顶板和底板上均设有永磁体阵列。

根据以上方案，所述阻尼元件包括基础块，基础块上设有与若干导轨配合的直线轴承，若干压簧分别套装在导轨上且与基础块抵触设置，导体板横向设置在基础块的上下端面上。

根据以上方案，所述导体板与基础块之间设有若干可调质量块，基础块上设有长杆螺栓，长杆螺栓的两端分别与上下层的导体板连接从而将基础块和若干可调质量块连接成一体。

根据以上方案，所述框架为上端开口的封闭式结构，顶板可沿框架上端口上下活动，顶板与框架之间通过直角角码固定连接，导轨下端与底板固定连接，顶板上设有若干与导轨对应的通孔。

一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器设计方法，其步骤如下：

①根据索道桥的设计参数建立有限元模型，确定索道桥的模态质量M_b，固有频率f_b，阻尼比ξ_b和前三阶竖向振型；

②根据索道桥的模态质量确定电涡流调谐质量阻尼器的质量m_t，电涡流调谐质量阻尼器质量和索道桥的模态质量比取μ＝5％～10％，因此m_t＝μM_b；

③根据索道桥的固有频率f_b，确定电涡流调谐质量阻尼器的固有频率f_t，这里采用f_t＝n×f_b，这里n一般取0.85～1.0；

④根据电涡流调谐质量阻尼器的质量m_t和固有频率f_t，确定压簧的刚度系数k_t＝m_t×(2πf_t)²；

⑤计算电涡流调谐质量阻尼器的阻尼系数，当导体板与永磁铁产生相对运动时，永磁体在z向存在一个移动速度，在z向产生的阻尼力是由导体板切割y向磁通量产生，阻尼力和阻尼系数可分别表达为

其中，c_t为阻尼系数，δ和v分别是导体板的厚度和永磁铁之间的竖向相对速度；

⑥根据①～⑤计算得到电涡流调谐质量阻尼器的各项参数，将各个构件依次装配得到所述用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器。

本发明有益效果为：本发明结构合理，导体板切割永磁铁产生的径向磁通量，当永磁铁与导体板之间的相对距离发生改变时，磁通量发生改变则导体板内部产生电涡流，两者之间会产生阻碍相对运动的阻尼力，结构的振动逐渐消失，能量最终在导体板内以热能的形式耗散掉，根据索道桥的固有动力特性，通过优化设置各构件的参数，即可得到最佳的减振效果；可有效减小索道桥的振动，具有阻尼易调节、无需后期维护、耐久性好且易装配等优点。

附图说明

图1是本发明的整体剖面结构示意图；

图2是本发明的电涡流产生机理示意图；

图3是是本发明的环形磁化带产生磁场强度示意图。

图中：

1、框架；2、导轨；3、基础块；11、顶板；12、底板；13、永磁体；14、直角角码；21、压簧；31、导体板；32、可调质量块；33、直线轴承；34、长杆螺栓。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明所述的一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器,包括框架1和阻尼元件，所述框架1上竖直设有若干导轨2，导轨2下端与框架1的底板12固定连接，导轨2上端穿设于框架1的顶板11上且与其配合连接；所述阻尼元件可上下活动地装配在若干导轨2上，阻尼元件两端与顶板11、底板12之间均设有若干压簧21；所述阻尼元件的上下端面上均设有导体板31，顶板11和底板12上均设有永磁体13阵列；所述若干导轨2等距间隔地对称分布在框架1内，阻尼元件在上下压簧21的支撑下悬浮与顶板11和底板12之间且阻尼元件可沿若干导轨2上下活动，阻尼元件上下端的导体板31用于切割永磁体13阵列的磁力线；所述导体板31采用电阻率较小的红铜板，永磁体13采用钕铁硼磁铁具有极高的磁积能和矫顽力，可提供足够的磁场强度；本发明的工作原理如下：阻尼器安装在索道桥振型最大位移处，如跨中、四分之一跨度等位置，阻尼元件会随着索道桥的振动而沿导轨2上下活动，则导体板31与框架1内的永磁体13阵列之间的相对距离会发生改变，导体板31切割永磁体13的径向磁通量从而导体板31内产生电涡流，根据楞次定律可知，导体板31与永磁体13之间会产生阻碍相对运动的力即阻尼力，能量最终在导体板31内以热能的形式被消耗，而振动在阻尼力的作用下逐渐消失；本装置的工作机制符合索道桥的固有特性，可有效减小索道桥的振动保证桥梁的安全；阻尼器的工作部件与桥梁无直接接触，永磁体13的衰退周期长耐久性好，整体封闭受外界环境影响小，无需后续维护使用寿命长。

所述阻尼元件包括基础块3，基础块3上设有与若干导轨2配合的直线轴承33，若干压簧21分别套装在导轨2上且与基础块3抵触设置，导体板31横向设置在基础块3的上下端面上，所述基础块3作为吸收索道桥振动的共振部件配重，基础块3在压簧21的支撑下悬浮于框架1内，并使导体板31与永磁体13阵列保持相对间隔，基础块3在上下活动时通过导体板31切割永磁体13的径向磁通量产生电涡流和阻尼力，导体板31上的电涡流又会转化为热能被消耗，从而在基础块3的反复振动中减小索道桥的振动，其中的压簧21作为弹性元件，为基础块3提供弹性恢复力，而阻尼元件与索道桥并没有直接的接触，仅通过框架1安装在索道桥上，因此阻尼器的使用寿命与永磁体13的磁衰退周期成正比，无需后续的维护使用寿命更长。

所述导体板31与基础块3之间设有若干可调质量块32，基础块3上设有长杆螺栓34，长杆螺栓34的两端分别与上下层的导体板31连接从而将基础块3和若干可调质量块32连接成一体；所述可调质量块32用于配合基础块3构成吸收索道桥振动的配重，更好地抑制索道桥的振动，通过长杆螺栓34将导体板31、可调质量块32和基础块3连接成一体的阻尼元件，根据索道桥的振动特性进行合理配置，以获得最佳的减振效果。

所述框架1为上端开口的封闭式结构，顶板11可沿框架1上端口上下活动，顶板11与框架1之间通过直角角码14固定连接，导轨2下端与底板12固定连接，顶板11上设有若干与导轨2对应的通孔；所述阻尼元件需要根据索道桥的振动特性来设定，因此阻尼元件的重量需要通过调整可调质量块32的数量进行合理设定，可调质量块32的数量变化会导致阻尼元件的整体高度发生改变，因此通过高度可调的顶板11使阻尼元件两端的导体板31与永磁体13阵列保持合理间距。

一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器设计方法，其步骤如下：

①根据索道桥的设计参数建立有限元模型，确定索道桥的模态质量M_b，固有频率f_b，阻尼比ξ_b和前三阶竖向振型；

②根据索道桥的模态质量确定电涡流调谐质量阻尼器的质量m_t，电涡流调谐质量阻尼器质量和索道桥的模态质量比取μ＝5％～10％，因此m_t＝μM_b；

③根据索道桥的固有频率f_b，确定电涡流调谐质量阻尼器的固有频率f_t，这里采用f_t＝n×f_b，这里n一般取0.85～1.0；

④根据电涡流调谐质量阻尼器的质量m_t和固有频率f_t，确定压簧21的刚度系数k_t＝m_t×(2πf_t)²；

⑤计算电涡流调谐质量阻尼器的阻尼系数，当导体板31与永磁铁产生相对运动时，永磁体13在z向存在一个移动速度，在z向产生的阻尼力是由导体板31切割y向磁通量产生，阻尼力和阻尼系数可分别表达为

其中，c_t为阻尼系数，δ和v分别是导体板31的厚度和永磁铁之间的竖向相对速度；

如图2-3所示，这里采用的电涡流调谐质量阻尼器为导体板31切割径向磁通量的形式，即导体板31沿着圆柱形磁铁轴线方向运动切割永磁铁产生的径向磁通量。当导体板31与永磁铁产生相对运动时，在导体板31内部产生的电涡流I计算如下

I＝σ(v×B) (G1)

其中，σ是导体板31的电导率，v是相对运动速度矢量，B是磁场强度矢量。

根据电磁学可知，电涡流I产生的斥力方向与相对运动方向相反，大小根据洛伦兹力法则可求得：

当相对运动重复发生时，电涡流产生的斥力同样重复产生和消散，这里所说的斥力就是阻尼器产生的阻尼力。由于导体板31与圆柱形磁铁产生的是轴向的相对运动，因此切割的为径向磁感线，导体板31内产生的电涡流方向为绕z轴旋转，因此B_z方向的磁通量不产生阻尼力，由此可计算出阻尼力的表达式：

其中，v是导体板31与永磁体13的相对移动速度，δ是导体板31的厚度，r_e是导体板31的等效半径，l_d是导体板31与永磁铁之间的间隙。

采用柱坐标的形式计算永磁体13在点Q(Τ,α,z)的磁感应强度。利用毕奥-萨伐尔定律计算环形回路产生磁感应强度的表达式如下：

上式中，μ₀、M₀、T₁和dε分别为空间渗透率，永磁铁单位长度的磁化强度，电涡流环形回路微段与空间场点的距离向量和微元体向量。向量T₁的定义是环形回路上的微元体单元到y-z平面某点的距离向量，可写成如下形式：

T₁＝T-t (G5)

其中T＝yj+zk，t＝rcosβi+rsinβj。

则向量dε可以表达为

dε＝-rsinβdβi+rcosβdβj (G6)

上式中，r是圆柱形永磁铁的半径。

将式(G5)和(G6)带入到(G4)中得到电涡流环形回路产生的y向磁感应强度为：

其中，dB_y是y向的磁感应强度，H₁为包含了椭圆积分的式子。根据圆柱形永磁体13厚度h，对(G7)式进行积分可以计算得到圆柱形磁铁产生的磁感应强度

其中，z₁和h分别是从永磁铁微元出发在z方向的距离和圆柱形永磁铁的长度。

当永磁铁在z向存在一个移动速度，磁感应强度B_z(y,z,z₁)并没有产生阻尼力，因为在垂直于z向磁通量方向并没有速度分量，所以在z向产生的阻尼力是由导体板31切割y向磁通量产生，阻尼力和阻尼系数可分别表达为

其中，c_t为阻尼系数，δ和v分别是导体板31的厚度和永磁铁之间的竖向相对速度。根据(G7)和(G9)可知，由于磁通密度是关于z轴对称的，因此电涡流在x和y向产生的阻尼力分量为0。由于式子(G11)中存在椭圆积分，因此采用数值积分法来计算(G11)，从而得到阻尼系数的值。

⑥根据①～⑤计算得到电涡流调谐质量阻尼器的各项参数，将各个构件依次装配得到所述用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (5)

1.一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器，包括框架(1)和阻尼元件，其特征在于：所述框架(1)上竖直设有若干导轨(2)，导轨(2)下端与框架(1)的底板(12)固定连接，导轨(2)上端穿设于框架(1)的顶板(11)上且与其配合连接；所述阻尼元件可上下活动地装配在若干导轨(2)上，阻尼元件两端与顶板(11)、底板(12)之间均设有若干压簧(21)；所述阻尼元件的上下端面上均设有导体板(31)，顶板(11)和底板(12)上均设有永磁体(13)阵列。

2.根据权利要求1所述的用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述阻尼元件包括基础块(3)，基础块(3)上设有与若干导轨(2)配合的直线轴承(33)，若干压簧(21)分别套装在导轨(2)上且与基础块(3)抵触设置，导体板(31)横向设置在基础块(3)的上下端面上。

3.根据权利要求2所述的用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述导体板(31)与基础块(3)之间设有若干可调质量块(32)，基础块(3)上设有长杆螺栓(34)，长杆螺栓(34)的两端分别与上下层的导体板(31)连接从而将基础块(3)和若干可调质量块(32)连接成一体。

4.根据权利要求3所述的用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器，其特征在于：所述框架(1)为上端开口的封闭式结构，顶板(11)可沿框架(1)上端口上下活动，顶板(11)与框架(1)之间通过直角角码(14)固定连接，导轨(2)下端与底板(12)固定连接，顶板(11)上设有若干与导轨(2)对应的通孔。

5.根据权利要求1所述的一种用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器设计方法，其步骤如下：

①根据索道桥的设计参数建立有限元模型，确定索道桥的模态质量M_b，固有频率f_b，阻尼比ξ_b和前三阶竖向振型；

②根据索道桥的模态质量确定电涡流调谐质量阻尼器的质量m_t，电涡流调谐质量阻尼器质量和索道桥的模态质量比取μ＝5％～10％，因此m_t＝μM_b；

③根据索道桥的固有频率f_b，确定电涡流调谐质量阻尼器的固有频率f_t，这里采用f_t＝n×f_b，这里n一般取0.85～1.0；

④根据电涡流调谐质量阻尼器的质量m_t和固有频率f_t，确定压簧(21)的刚度系数k_t＝m_t×(2πf_t)²；

⑤计算电涡流调谐质量阻尼器的阻尼系数，当导体板(31)与永磁铁产生相对运动时，永磁体(13)在z向存在一个移动速度，在z向产生的阻尼力是由导体板(31)切割y向磁通量产生，阻尼力和阻尼系数可分别表达为

其中，c_t为阻尼系数，δ和v分别是导体板(31)的厚度和永磁铁之间的竖向相对速度；

⑥根据①～⑤计算得到电涡流调谐质量阻尼器的各项参数，将各个构件依次装配得到所述用于索道桥的电涡流调谐质量阻尼器。