摩擦阻尼器凸轮式响应放大限位装置及隔震高铁单墩桥梁抗震性能研究

发布时间：2020-03-27 00:19

【摘要】：高速铁路以其快速性、安全性、舒适性、便利性等优点成为了我国交通发展的主要趋势。为了确保高铁桥梁的地震安全性,摩擦摆隔震支座以其承载力强、可自复位等优势而成为高铁隔震桥梁的主要隔震装置。但是,由于地震的不可预测性和近年来极罕遇地震的频繁发生,隔震支座可能产生过大位移而失效,并最终导致桥梁发生破坏甚至倒塌。因此,探索不同等级大地震作用下的限位方法是当前高铁桥梁抗震研究领域的重要科学问题,具有重要的理论意义和工程应用价值。传统的桥梁限位装置主要有阻尼器、拉杆、缆索、挡块等。然而,在强震作用下,如若采用吨位较大、行程较大的阻尼器,则造价较高且难以抵御超出预期的地震作用;缆索、拉杆在强震作用下也易超出其极限能力;而挡块在强震作用下产生的硬碰撞效应则会对桥梁结构会产生不利影响,且其遭受地震破坏后难以修复。因此,开发新型隔震桥梁限位装置尤为必要。综上所述,本文利用凸轮机构、滚珠丝杠副、推力轴承以及摩擦阻尼器开发了一种新型限位装置——摩擦阻尼器凸轮式响应放大装置(CRAD-FD,Cam Response Amplification Device of Friction Damper),并对其进行了系统的理论与试验研究,然后对单自由度体系进行了大量的参数分析,最后,针对简化的隔震高铁单墩桥梁模型进行了模拟分析,主要包括:1、CRAD-FD的作用机理和恢复力模型:在系统总结桥梁限位措施和响应放大技术的研究与应用现状基础上,提出了一种摩擦阻尼器凸轮式响应放大装置。介绍了其构造,分析了其作用机理,并推导了阻尼力、位移、速度、加速度等响应放大的理论计算公式,提出了CRAD-FD的理论恢复力模型。编制了MATLAB程序,以正弦波位移控制加载、变幅位移控制加载、三角波位移控制匀速加载以及地震波加载为例,对CRAD-FD进行了数值模拟分析,给出了滚珠丝杠螺距、圆盘偏心距、摩擦系数等参数变化对CRAD-FD响应放大的影响规律。提出了串联型CRAD-FD,并对其作用规律进行了研究。2、CRAD-FD性能试验研究:根据试验条件,制定了伪静力试验方案,加工制作了CRAD-FD。对CRAD-FD进行了多组工况的伪静力试验,得到了CRAD-FD的力学性能变化规律;采用MATLAB编程,仿真模拟了其在各个试验工况下的力学性能,将仿真模拟结果与试验值进行了对比分析,验证了CRAD-FD响应放大效应的有效性。3、CRAD-FD单自由度体系的地震反应分析:运用MATLAB编制了单自由度减震控制分析程序,采用三种不同自振周期的单自由度模型,选取6条典型地震波,对其进行了时程分析,对比分析了无控、FD控制、CRAD-FD控制单自由度体系的地震反应。在此基础上,对无控、FD控制、CRAD-FD控制的单自由度体系进行了典型地震波作用下的反应谱分析,给出了加速度反应谱、速度反应谱、位移反应谱、能量反应谱和耗能比值反应谱;通过改变CRAD-FD参数,对单自由度体系进行了大量的参数分析;将摩擦摆隔震高铁单墩桥梁等效为隔震单自由度体系,对其进行了时程分析,得到了CRAD-FD控制效果的规律。4、CRAD-FD隔震两自由度体系的地震反应分析:首先,介绍了CRAD-FD在桥梁中的布置安装情况,并将摩擦摆隔震高铁单墩桥梁等效为隔震两自由度模型,运用MATLAB编制了减震控制两自由度计算分析程序,采用时程分析方法,选取典型地震波,给出了无控、FD控制、CRAD-FD控制状态下两自由度体系的地震反应,分别对比分析了主梁、桥墩的加速度、位移等的控制效果;然后,改变CRAD-FD中摩擦阻尼器的摩擦力,对两自由度体系进行了时程分析,给出了不同摩擦力的CRAD-FD的控制效果;再次,对无控、FD控制、CRAD-FD控制的两自由度体系在6条典型地震波作用下(PGA=0.4g、0.6g、0.8g)进行了时程分析,给出了CRAD-FD的控制效果,并对其限位性能进行了评价;最后,对CRAD-FD控制体系进行了经济性分析。
【图文】：

齿条齿轮,加速器,位移放大

目前在阻尼器放大方面主要以研究粘滞阻尼器放大为主，对于相对较少。现阶段国内外学者针对粘滞阻尼器提出了许多具有位移，主要机制有杠杆位移放大、连杆位移放大、齿轮位移放大以及跨下对现有的放大机制进行详细介绍。轮式响应放大装置n S等[48]采用机械领域运用广泛的齿条、齿轮加速器的方式来放大结放大的位移传递给阻尼器，如图 1-1。当结构产生一个较小的位移径大于齿轮 1 的半径，连在齿条末端的齿条的阻尼器的将因齿轮齿较大的位移。经过相应的试验表明：该位移放大系统是切实可行的49]提出了一种新型粘滞阻尼器，如图 1-2。该阻尼器主要利用齿轮原理，结合了双出杆型阻尼器和齿轮放大机构，实现了位移的内部的输出效率，增强了对结构振动控制效果，对建筑结构起更好的保50]发明了一种外接式阻尼器位移放大装置，如图 1-3。该装置在建形较慢时，较大的放大了其位移，能够有效提高建筑结构振动控制

粘滞阻尼器,齿轮机构,流体,位移放大

目前在阻尼器放大方面主要以研究粘滞阻尼器放大为主，对于相对较少。现阶段国内外学者针对粘滞阻尼器提出了许多具有位移，主要机制有杠杆位移放大、连杆位移放大、齿轮位移放大以及跨下对现有的放大机制进行详细介绍。轮式响应放大装置n S等[48]采用机械领域运用广泛的齿条、齿轮加速器的方式来放大结放大的位移传递给阻尼器，如图 1-1。当结构产生一个较小的位移径大于齿轮 1 的半径，连在齿条末端的齿条的阻尼器的将因齿轮齿较大的位移。经过相应的试验表明：该位移放大系统是切实可行的49]提出了一种新型粘滞阻尼器，如图 1-2。该阻尼器主要利用齿轮原理，结合了双出杆型阻尼器和齿轮放大机构，实现了位移的内部的输出效率，增强了对结构振动控制效果，对建筑结构起更好的保50]发明了一种外接式阻尼器位移放大装置，，如图 1-3。该装置在建形较慢时，较大的放大了其位移，能够有效提高建筑结构振动控制
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U442.55

【参考文献】