本發(fā)明涉及一種減振技術(shù),屬于橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

伸縮縫是橋梁結(jié)構(gòu)的重要連接構(gòu)件之一，其主要作用是將不同的橋段銜接成一個(gè)橋梁整體，并有助于避免溫度、風(fēng)等外部荷載對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的過(guò)大變形，從而有效保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的安全。但同時(shí)，由于伸縮縫直接承受車(chē)輪荷載的沖擊作用，并長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，故其又是橋梁結(jié)構(gòu)最易損壞而又較難維修的部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，橋梁伸縮縫的平均壽命為10～15年，遠(yuǎn)低于橋梁本身的設(shè)計(jì)壽命。伸縮縫的損壞，不僅降低了行車(chē)舒適度，更將顯著增加車(chē)輛對(duì)橋梁的沖擊作用，從而加劇橋面鋪裝層破壞，甚至可能影響橋梁結(jié)構(gòu)本身。

研究表明，累積縱向位移過(guò)大，致使伸縮縫滑塊材料在遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期壽命情況下首先發(fā)生損壞，是造成橋梁伸縮縫損壞的重要原因。目前，關(guān)于伸縮縫損壞的處理方式大多是先維修然后整體更換。如江陰長(zhǎng)江大橋在出現(xiàn)主橋大位移伸縮縫損壞病害后，經(jīng)多次維修仍不滿足使用要求，后來(lái)進(jìn)行了整體更換；潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋南汊橋在出現(xiàn)伸縮縫損壞問(wèn)題后進(jìn)行了維修處理。伸縮縫病害的該種處理方式雖能夠起到一定的效果，但并不能從根本上解決伸縮縫累積位移過(guò)大的問(wèn)題，加之，反復(fù)維修帶來(lái)的交通不便等問(wèn)題可能會(huì)引起更大的經(jīng)濟(jì)損失。為從根本上解決伸縮縫累積行程過(guò)大問(wèn)題，已有一些橋梁結(jié)構(gòu)采用增設(shè)位移約束裝置、安裝阻尼器的方法來(lái)改善伸縮縫的性能。目前應(yīng)用較多的是液體粘滯阻尼器，這類(lèi)阻尼器由缸體、粘滯液體、活塞、活塞桿、阻尼材料腔、密封端套、密封環(huán)等部件組成，在振動(dòng)控制方面有突出的貢獻(xiàn)，但此阻尼器在工作中需要液體介質(zhì)，因而對(duì)密封性能要求高，而且在溫度變化劇烈時(shí)也不適用。

電渦流阻尼器是基于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電渦流效應(yīng)的原理來(lái)工作的。當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁力線方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流，電渦流以熱能的形式擴(kuò)散到周?chē)橘|(zhì)中，達(dá)到消耗振動(dòng)能量的目的。此外，電渦流又會(huì)產(chǎn)生與原磁場(chǎng)方向相反的新磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼力，起到減震耗能的作用。相比于其他傳統(tǒng)阻尼器，電渦流阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、無(wú)需工作介質(zhì)、壽命長(zhǎng)及剛度與阻尼可控等特點(diǎn)，它不依靠機(jī)械摩擦耗能，不存在密封和漏油問(wèn)題，大大提高了其可靠性和耐久性。

近年來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已被越來(lái)越多的應(yīng)用于大型橋梁的健康狀態(tài)評(píng)定，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)已成為橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿研究方向。其中，對(duì)橋梁伸縮縫的健康監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。目前，現(xiàn)有的研究主要是針對(duì)一般橋梁結(jié)構(gòu)的伸縮縫，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限。對(duì)于加設(shè)電渦流阻尼器后的伸縮縫的使用性能知之甚少。因此，為促進(jìn)該類(lèi)新型裝置在實(shí)際工程的廣泛的應(yīng)用和推廣，加強(qiáng)對(duì)加設(shè)了電渦流阻尼器的伸縮縫在實(shí)際狀態(tài)下工作性能的檢測(cè)具有非常重要研究意義。

光纖光柵位移傳感器屬于光纖傳感器的一種，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。在外力作用下，位移傳遞桿產(chǎn)生位移，致使傳遞鋼繩產(chǎn)生拉伸。傳遞鋼繩產(chǎn)生的拉力以集中力的方式作用在懸臂梁的自由端。懸臂梁另一端固定在與鋼繩保護(hù)筒連成一體的圓柱形剛性殼體內(nèi)側(cè)壁，其上下表面貼著互補(bǔ)的光柵對(duì)。當(dāng)位移傳遞桿產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁下表面受壓縮產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變，上表面受拉伸產(chǎn)生正應(yīng)變，貼在其上下表面的光纖光柵也產(chǎn)生同樣是正應(yīng)變和負(fù)應(yīng)變，使上下兩個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)向相反方向移動(dòng)。波長(zhǎng)差值可表征位移傳遞桿移動(dòng)的位移。該技術(shù)既利用了光信號(hào)遠(yuǎn)程不受電磁干擾的特性，又彌補(bǔ)了光纖光柵受溫度影響的測(cè)試缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：為了克服現(xiàn)有伸縮縫壽命過(guò)短的缺陷，本發(fā)明提供了一種長(zhǎng)壽命高性能橋梁伸縮縫裝置，一方面減少伸縮縫的累積行程，提高伸縮縫的使用壽命；另一方面監(jiān)測(cè)橋梁伸縮縫在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的行程，評(píng)估伸縮縫的工作狀態(tài)。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種長(zhǎng)壽命高性能橋梁伸縮縫裝置，該裝置包括橡膠和鋼板組合模數(shù)式伸縮縫、電渦流阻尼器和光纖光柵位移傳感器，所述電渦流阻尼器兩端通過(guò)球鉸支座分別固定在伸縮縫兩邊的梁底，橫向成對(duì)布置，用以減小伸縮縫的累積行程，所述光纖光柵位移傳感器設(shè)置在伸縮縫處梁底，位于成對(duì)電渦流阻尼器中間，監(jiān)測(cè)伸縮縫的位移變化；在橋梁橫向位置上，電渦流阻尼器近似關(guān)于光纖光柵位移傳感器對(duì)稱(chēng)。

優(yōu)選的，所述橡膠鋼板組合模數(shù)式伸縮縫包括中梁、上支撐塊、下支撐塊、支撐梁掛架、支撐梁、支撐箱和橋梁結(jié)構(gòu)部分，所述中梁通過(guò)上支撐塊、下支撐塊和焊接在中梁底部的支撐梁掛架安裝在同一根支撐梁上，且支撐梁按一定的間距正交或斜交布置，所述的上支撐塊、下支撐塊與支撐箱相連，而支撐箱與橋梁結(jié)構(gòu)部分澆筑在一起。

優(yōu)選的，所述電渦流阻尼器包括電磁屏蔽罩、設(shè)置在該電磁屏蔽罩內(nèi)部的彈性緩沖單元、固定在電磁屏蔽罩內(nèi)部的銅導(dǎo)體、分別固定在銅導(dǎo)體表面的永磁體、固定軟鐵、活塞桿、固定在活塞桿表面的切割磁力線的電渦流板以及軸向位移導(dǎo)向單元；所述活塞桿頂端設(shè)有與外部主體結(jié)構(gòu)連接的柔性球鉸支座，用以連接外部荷載，輸出阻尼力，阻尼器底端設(shè)有柔性球鉸支座，用于固定阻尼器。

優(yōu)選的，所述光纖光柵位移傳感器包括光纖導(dǎo)線、懸臂支管、懸臂梁、光纖光柵、傳遞鋼繩、位移傳遞桿、位移導(dǎo)向環(huán)和保護(hù)管，所述位移導(dǎo)向環(huán)安裝在保護(hù)管的內(nèi)表面，用于引導(dǎo)安裝在保護(hù)管內(nèi)部的位移傳遞桿運(yùn)動(dòng)；所述懸臂支管與保護(hù)管通過(guò)鉚釘固定在一起，懸臂梁位于懸臂支管內(nèi)，懸臂梁底端固定在懸臂支管上，上端自由；所述傳遞鋼繩連接位移傳遞桿與懸臂梁，傳遞鋼繩的運(yùn)動(dòng)使得懸臂梁發(fā)生彎曲，所述光纖光柵貼在懸臂梁的左右表面，光纖導(dǎo)線與光纖光柵連接，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸出去。

優(yōu)選的，所述光纖光柵位移傳感器設(shè)置了累積應(yīng)變閾值；對(duì)光纖光柵位移傳感器所測(cè)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，當(dāng)累積應(yīng)變值大于閾值時(shí)，光纖光柵傳感器發(fā)出預(yù)警。

有益效果：本發(fā)明提供了一種新型的長(zhǎng)壽命高性能橋梁伸縮縫裝置，將傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)與電渦流阻尼器減振技術(shù)結(jié)合起來(lái)，并應(yīng)用到伸縮縫中，從而既能減少伸縮縫的累積行程，又能對(duì)加設(shè)電渦流阻尼器后的伸縮縫的工作性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在伸縮縫累積行程達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)進(jìn)行預(yù)警，提早向相關(guān)人員報(bào)告，避免由伸縮縫損壞造成的橋面鋪裝破壞、影響行車(chē)舒適度。此外，還可以記錄伸縮縫變形數(shù)據(jù)，積累資料，基于實(shí)際使用過(guò)程印證電渦流阻尼器和伸縮縫組合使用的可行性，因而具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說(shuō)明

圖1為該新型的長(zhǎng)壽命高性能橋梁伸縮縫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為電渦流阻尼器、光纖光柵位移傳感器安裝示意圖；

圖3為橡膠和鋼板組合模數(shù)式伸縮縫結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為橡膠和鋼板組合模數(shù)式伸縮縫的側(cè)視圖；

圖5為橡膠和鋼板組合模數(shù)式伸縮縫的俯視圖；

圖6為電渦流阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7電渦流阻尼器耗能單元部分橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為光纖光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1-8，本發(fā)明是一種長(zhǎng)壽命高性能橋梁伸縮縫裝置，該裝置包括橡膠和鋼板組合模數(shù)式伸縮縫、電渦流阻尼器7和光纖光柵位移傳感器8，所述電渦流阻尼器7兩端通過(guò)球鉸支座分別固定在伸縮縫兩邊的梁底，橫向成對(duì)布置，用以減小伸縮縫的累積行程，所述光纖光柵位移傳感器8設(shè)置在伸縮縫處梁底，位于成對(duì)電渦流阻尼器7中間，監(jiān)測(cè)伸縮縫的位移變化；在橋梁橫向位置上，電渦流阻尼器近似關(guān)于光纖光柵位移傳感器對(duì)稱(chēng)。

所述橡膠鋼板組合模數(shù)式伸縮縫包括中梁9、上支撐塊2、下支撐塊4、支撐梁掛架3、支撐梁5、支撐箱1和橋梁結(jié)構(gòu)部分6，所述中梁9通過(guò)上支撐塊2、下支撐塊4和焊接在中梁底部的支撐梁掛架3安裝在同一根支撐梁5上，且支撐梁按一定的間距正交或斜交布置，所述的上支撐塊2、下支撐塊4與支撐箱1相連，而支撐箱1與橋梁結(jié)構(gòu)部分6澆筑在一起。

所述電渦流阻尼器7包括電磁屏蔽罩7-7、設(shè)置在該電磁屏蔽罩7-7內(nèi)部的彈性緩沖單元7-5、固定在電磁屏蔽罩內(nèi)部的銅導(dǎo)體7-2、分別固定在銅導(dǎo)體表面的永磁體7-3、固定軟鐵7-9、活塞桿7-4、固定在活塞桿表面的切割磁力線的電渦流板7-8以及軸向位移導(dǎo)向單元7-6；所述活塞桿7-4頂端設(shè)有與外部主體結(jié)構(gòu)連接的柔性球鉸支座7-1，用以連接外部荷載，輸出阻尼力，阻尼器底端設(shè)有柔性球鉸支座7-1，用于固定阻尼器。

所述光纖光柵位移傳感器8包括光纖導(dǎo)線8-8、懸臂支管8-4、懸臂梁8-1、光纖光柵8-7、傳遞鋼繩8-2、位移傳遞桿8-3、位移導(dǎo)向環(huán)8-6和保護(hù)管8-5，所述位移導(dǎo)向環(huán)安裝在保護(hù)管8-5的內(nèi)表面，用于引導(dǎo)安裝在保護(hù)管內(nèi)部的位移傳遞桿8-3運(yùn)動(dòng)；所述懸臂支管8-4與保護(hù)管8-5通過(guò)鉚釘固定在一起，懸臂梁8-1位于懸臂支管內(nèi)，懸臂梁底端固定在懸臂支管上，上端自由；所述傳遞鋼繩8-2連接位移傳遞桿8-3與懸臂梁8-1，傳遞鋼繩的運(yùn)動(dòng)使得懸臂梁發(fā)生彎曲，所述光纖光柵8-7貼在懸臂梁8-1的左右表面，光纖導(dǎo)線8-8與光纖光柵8-7連接，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸出去。

所述光纖光柵位移傳感器8設(shè)置了累積應(yīng)變閾值；對(duì)光纖光柵位移傳感器8所測(cè)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，當(dāng)累積應(yīng)變值大于閾值時(shí)，光纖光柵傳感器發(fā)出預(yù)警。

具體結(jié)構(gòu)設(shè)置如下：

所述橡膠鋼板組合模數(shù)式伸縮縫包括中梁9、上支撐塊2、下支撐塊4、支撐梁掛架3、支撐梁5、支撐箱1和橋梁結(jié)構(gòu)部分6，所述中梁9通過(guò)上支撐塊2、下支撐塊4和焊接在中梁底部的支撐梁掛架3安裝在同一根支撐梁5上，且支撐梁按一定的間距正交或斜交布置，所述的上、下支撐塊與支撐箱1相連，而支撐箱1與橋梁結(jié)構(gòu)部分6澆筑在一起。伸縮縫的設(shè)置有助于避免溫度、風(fēng)等外部荷載對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的過(guò)大變形。

所述伸縮縫處橋梁結(jié)構(gòu)部分6底面安裝電渦流阻尼器7和光纖光柵位移傳感器8，所述電渦流阻尼器兩端通過(guò)球鉸支座分別固定在伸縮縫兩邊的梁底，橫向成對(duì)布置，用以減小伸縮縫的累積行程，所述光纖光柵位移傳感器設(shè)置在伸縮縫處梁底，位于成對(duì)電渦流阻尼器中間，用于監(jiān)測(cè)伸縮縫的位移變化。在橋梁橫向位置上，電渦流阻尼器近似關(guān)于光纖光柵位移傳感器對(duì)稱(chēng)。

如圖6、圖7所示，所述電渦流阻尼器7包括電磁屏蔽罩7-7、彈性緩沖單元7-5、固定在電磁屏蔽罩內(nèi)部的銅導(dǎo)體7-2、固定在銅導(dǎo)體底部的永磁體7-3、固定軟鐵7-9、活塞桿7-4、固定在活塞桿上切割磁力線的導(dǎo)體板7-8以及軸向位移導(dǎo)向單元7-6。電渦流耗能單元中的永磁體7-3陣列在電渦流板7-8兩側(cè)行成一個(gè)方向上交替變化磁場(chǎng)，當(dāng)活塞桿7-4在外部荷載作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，固定在活塞桿上的電渦流板7-8切割磁力線并產(chǎn)生電渦流。在電渦流產(chǎn)生后，磁場(chǎng)便對(duì)電渦流板產(chǎn)生力的作用，阻礙其運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生了阻尼力，通過(guò)活塞桿反作用于外部梁體，削弱梁體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到耗能減振的目的，進(jìn)而減小伸縮縫的累積行程。

如圖8所示，所述光纖光柵位移傳感器8包括光纖導(dǎo)線8-8、懸臂支架8-4、懸臂梁8-1、光纖光柵8-7、傳遞鋼繩8-2、位移傳遞桿8-3、位移計(jì)導(dǎo)向環(huán)8-6和保護(hù)管8-5，所述傳遞鋼繩8-2連接位移傳遞桿8-3與懸臂梁8-1，所述光纖光柵8-7貼在懸臂梁8-1的上下表面，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖導(dǎo)線8-8傳輸出去。在外力作用下，位移傳遞桿8-3產(chǎn)生位移，致使傳遞鋼繩8-2產(chǎn)生拉伸。傳遞鋼繩產(chǎn)生的拉力以集中力的方式作用在懸臂梁8-1的自由端。懸臂梁另一端固定在與鋼繩保護(hù)筒連成一體的圓柱形剛性殼體內(nèi)側(cè)壁，其上下表面貼著互補(bǔ)的光柵對(duì)8-7。當(dāng)位移傳遞桿產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁下表面受壓縮產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變，上表面受拉伸產(chǎn)生正應(yīng)變，貼在其上下表面的光纖光柵也產(chǎn)生同樣是正應(yīng)變和負(fù)應(yīng)變，此時(shí)上下兩個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)向相反方向移動(dòng)，波長(zhǎng)差值可表征位移傳遞桿移動(dòng)的位移。

基本公式

δλb1/λb1＝kε1ε1+kt1δt1(1)

δλb2/λb2＝kε2ε2+kt2δt2(2)

兩個(gè)光柵的溫度，應(yīng)變特性相同，有kε1＝kε2，kt1＝kt2，而ε1＝-ε2，δt1＝δt2，將兩式相減得到

δλb1/λb1-δλb2/λb2＝2(1-p)ε(3)

其中，kε＝1-p，p為光纖光柵光彈系數(shù)，λb1、λb1為布拉格波長(zhǎng)，ε為應(yīng)變，δλb1、δλb2為光柵上下表面的波長(zhǎng)漂移量。應(yīng)變?chǔ)排c伸縮縫的位移成正比，故由公式3即可求出伸縮縫的位移。此外，由公式(3)可知，懸臂梁上下表面兩光柵的波長(zhǎng)漂移量差值只受懸臂梁應(yīng)變的影響，由此剔除溫度的影響，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。

所述光纖光柵位移傳感器8設(shè)置了累積應(yīng)變閾值；對(duì)光纖光柵位移傳感器8所測(cè)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，當(dāng)累積應(yīng)變值大于閾值時(shí)，光纖光柵傳感器發(fā)出預(yù)警。

電渦流阻尼器安裝在橋梁伸縮縫處的梁底，充分利用其不需密封、壽命長(zhǎng)、高耗能特性，消耗上部結(jié)構(gòu)梁端之間的碰撞能量，減小上部橋梁間的相對(duì)位移，縮短伸縮縫的累積行程，提高伸縮縫的使用壽命；同時(shí)采用光纖光柵位移傳感器，設(shè)置于橋梁伸縮縫處的梁底，充分發(fā)揮其高靈敏度、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)，高效地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)伸縮縫位移。本發(fā)明創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了橋梁伸縮縫振動(dòng)位移的良好控制和伸縮縫使用性能的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，具有實(shí)用性強(qiáng)，耐疲勞，長(zhǎng)壽命，減震效果好等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書(shū)中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。