（机械电子工程专业论文）桥梁锁定装置的特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 桥梁抗震技术日臻完善，从原始的被动抗震到如今的主动抗震，可以说是桥梁抗震 史上的一座丰碑。主动抗震技术是指在桥梁上安装某些特殊装置，如调制质量块( t m d ) 、 锁定装置( l u d ) 和阻尼器，通过这些装置来保护桥梁，使其在地震或者大风中不受毁坏 或降低损坏程度，提高桥梁的抗震能力。 论文的研究对象是桥梁锁定装置，即l u d ( l o c k u pd e v i c e ) ，通常安装在桥面和滑移 桥墩之间。当桥梁正常变形时( 如热膨胀、缓慢蠕动等) ，l u d 不会产生有害约束阻碍桥 梁运动：当桥梁发生剧烈运动时( 如地震、牵引和紧急制动等) ，l u d 瞬间将桥面与滑移 桥墩锁死，固定桥墩将冲击载荷通过与之固定的桥面传递给滑移桥墩，大大提高桥梁的 整体抗震能力。 现今，应用最广泛的l u d 为阻尼式，其结构主要包括小孔和间隙，故影响l u d 特 性的主要参数为小孔或间隙的尺寸以及工作介质的特性。论文通过几种基本结构l u d 的动态特性仿真，分析仿真结果，得出这些参数如何影响l u d 的工作性能，进而优化 l u d 的结构尺寸以及工作介质的特性参数。l u d 的结构参数和介质参数确定后，必须 进行严格的测试，但是国内的测试水平和实验设备均无法满足很多大型l u d 的测试需 求，所以为了提高l u d 合格率，在其样品加工之前必须进行仿真测试，分析仿真结果， 从而进一步优化设计方案。 因此，论文的重点是对已有型号l u d 进行特性仿真和测试仿真，采用m a t l a b 和 a n s y sc f x 进行联合仿真，前者通过理论分析求出控制方程( 力平衡方程和流量控制方 程) ，并在m a t l a b 中建立数学仿真模型进行求解；后者l u d 的物理模型进行简化处 理，在u g 中建模并将模型导入a n s y si c e m 中划分网格，再将划分好的网格导入 a n s y sc f x 中，设置参数( 如油液的密度，体积弹性系数等) 进行c f d 仿真计算。 论文主要利用m a t l a b 仿真得出影响l u d 工作特性因素包括：油液体积弹性系数、 油液动力粘度、阻尼孔孔径和活塞头与缸筒之间的间隙。经仿真求解得出油液动力粘度 增加、体积弹性系数增加、阻尼孔孔径减小和间隙间隙，均可以使l u d 响应速度加快， 锁定距离变短，反之亦然。论文重点以间隙式l u d 为研究对象，对其性能提出要求， 通过修改测试参数不断优化仿真结果，直至满足设计要求。通过比较两种仿真结果，给 出了l u d 优化的一种新方法，为l u d 的开发提供了有效的参考手段。 关键词：桥梁间隙式锁定装置阻尼力响应位移 西南交通大学硕士研究生学位论文第fi 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y , a s e i s m a t i ct e c h n o l o g yh a db e e ne v o l v i n g f r o mp a s s i v ea s e i s m a t i cd e v i c et oa c t i v ea s e i m a t i cd e v i c e i tc a l lb es a y i n gam o n u m e n to f b r i d g eh i s t o r y a c t i v ea s e i m a t i ct e c h n o l o g ym e a n st oi n s t a l ls o m es p e c i a ld e v i c e s ，s u c ha s t m d ，l u da n dd a m pd e v i c e s w i mt h e s ed e v i c e st op r o t e c tt h eb r i d g ef r o md a m a g eo f e a r t h q u a k eo rg a l e ，t h ea s e i m a t i cc a p a b i l i t yo f a b r i d g ei sm u c hb e t t e r t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri s l o c k - u pd e v i c e ( l u d ) w h i c hi s t op r o v i d ea t e m p o r a r yr i g i dl i n kb e t w e e nt h ed e c ko fab r i d g ea n di t ss u p p o r t i n ga b u t m e n t sa n dp i e r s u n d e rt h es l o wa c t i n gt h e r m a l ，s h r i n k a g eo rc r e e pm o v e m e n t st h el u dn ol o n g e ra c t sa sa r i g i dl i n ka n dm o v e s 研mt h ed e c k u n d e rt h ef a s ta c t i n ga n ds h o r td u r a t i o ns e i s m i c ，t r a c t i o n ， b r a k eo rc o l l i s i o nf o r c e s ，t h el o a di ss h a r e db e t w e e nt h ep i e r st op r o m o t et h ea s e i s m a t i ca b i l i t y a l o t n o wt h ed a m pl u di su s e d w i d e l yw h o s es t r u c t u r ei n c l u d es o m el o n go r i f i c ea n dg a p s o t h ep a r a m e t e r so fl u dw h i c ha f f e c ti t sp e r f o r m a n c ea r em a i n l yc o n t a i nd i m e n s i o n so fo r i f i c e o rg a pa n dt h ec h a r a c t e ro fw o r k i n go i l t h r o u g ha n a l y s i n gt h er e s u l t so fs o m ed y n a m i c s i m u l a t i o n so fs o m eb a s i cl u d ，t h i sp a p e rg i v e so u tam e t h o dt oo p t i m i z et h o s ep a r a m e t e r s w h e nt h ed i m e n s i o np a r a m e t e r so fl u da n dt h ec h a r a c t e rp a r a m e t e ro fw o r ko i lh a v eb e e n c o n f i r m e d , t h el u dm u s tb et e s t e d ，b u td o m e s t i ct e s t i n gl e v e li sl o ws ot h a tm a n yt e s t sc a n t b es a t i s f i e d s ob e f o r em a c h i n i n gal u ds a m p l e ，i ts h o u l dp r o c e s s e ss i m u l a t i o nt e s tt o o p t i m i z et h em o d e lb e t t e r s o ，t h i sg r a d u a t et h e s i si sf o c u s e do nt h ec h a r a c t e rs i m u l a t i o na n d t e s ts i m u l a t i o nb yu s i n g m r l a ba n da n s y sc f xu n i t e ds i m u l a t i o nw a yt os i m u l a t e t h ef i r s to n ei st ou s e t h e o r e t i c a la n a l y s e st og e tc o n t r o le q u a t i o n sw h i c hm a i n l yi n c l u d ef l u xe q u a t i o na n df o r c e e q u a t i o na n dt ob u i l dm a t hs i m u l a t i o nm o d e li nm a t l a b t os o l v e t h eo t h e ri st os i m p l et h e p h y s i c a lm o d e la n db u i l d si ti nu gw h i c hi sg o i n gt od r a w 面df o rs i m u l a t i o n w h e nt h e 鲥d o fl u di sr e a d ya n di ti si m p o r t e dt oa n s y sc f xt os e tu pp a r a m e t e rf o rc o m p u t e t h ep a p e rm a i n l yu s e s 脚l a bs i m u l a t i o nt og e tt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u c el u d s w o r k i n gp e r f o r m a n c e t h e s ef a c t o r si n c l u d eo i lv o l u m ee l a s t i cc o e f f i c i e n t ( 屁) ，o i ld y n a m i c v i s c o s i t y ( 口) ，o r i f i c ed i a m e t e r ( d ) a n dg a p ( h ) b e t w e e np i s t o nh e a da n dp i s t o nu r n t h r o u g h s i m u l a t i o n , w eg e tt h ec o c u l s i o nt h a tw i t hk ea n d i n c r e a s i n ga n dw i t hda n dhd e c r e a s i n gt h e r e p o n s eo fl u d i sm o r eq u i c ka n dt h el o c kd i s t a n c ei ss h o r t e r t h ek e y s t o n eo ft h ep a p e ri st o v 舐矽t h eg a pu m w h i c hh a st or e a c ht h ed e s i g nt a r g e tb yc h a n g i n gt h ef a c t o r s f r o mt h ep r o c e s s e so ft h et w os i m u l a t i o nw a y s ，i tc 孤b es u m m a r i z e dt h a tt h ef i r s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 m e t h o di sm a t hs i m u l a t i o na n dt h eo t h e ro n ei sp h y s i c a ls i m u l a t i o n t h r o u g hc o m p a r i n gt w o s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep a p e rg i v e so u tan e wm e t h o dt oo p t i m i z el u da n dar e f e r e n c ef o r l u d se x p l o i t a t i o n k e yw o r d s ：g a pl o c k - u pd e v i c ed a m pf o r c er e s p o n s ed i s p l a c e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 无论地震大小都会在不同程度造成人员伤亡和财产损失，其损失基本上是由建筑物 倒塌造成的，因此，怎样提高建筑物的抗震能力一直都是抗震领域不容忽视的话题。 在地震工程领域内，始终存在着难以解决的问题：因为地震载荷极其复杂，无法准 确模拟，无法进行试验分析，但随着科学和计算机技术的发展，使计算分析能力越来越 强，提出了一种模拟地震载荷的新方案仿真计算【。 以结构自身的破坏消耗地震能量，现己无法满足日益提高的抗震要求。因此，必须 改变传统保护结构稳定的方法。 1 9 6 0 年，日本学者k o b e r i 和m i n a i 提出了主动控制地震反应的思想。1 9 7 2 年美国 学者t p y a o 首先将现代控制理论应用于土木工程结构【2 6 】。人们对建筑物的抗振动的能 力的提高已经做了巨大的努力，取得了显著的成果。这一成果中最引以为自豪的是“结 构的保护系统 。 作为二十世纪末期世界地震工程上最振奋人心的成果结构的保护系统，在世界 上先进国家已经快速发展了多年。已经有了非常成熟的成果，这种新技术的使用不仅是 开辟了我们结构工程师的一个新天也确实解决了我们很多传统结构解决不了的问题。我 国现在已经有很多桥梁安置了或正在安置泰勒公司生产的阻尼器。美国是应用最多发展 最快的国家，美国的主要地震地区加州，主要建筑上必须安装减震装置。 然而阻尼器的造价又比较昂贵，而且主要用于容易发生大震区域，对于易发生中小 地震区域来说，使用阻尼器可以说是大材小用了，而且也不经济，于是就产生的一种特 殊的阻尼器桥梁锁定装置，简称l u d 。 l u d 一经使用，就显示出巨大的作用。随着计算方法、规范和各种试验、检验技术 的完善，实际地震中的观察和测试，它已经完全被人们接受。l u d 的使用已经从锦上添 花的第二防线发展到结构构件的一部分，替代传统的结构构件，参加结构分析。现在， 我们可以肯定地说，“结构的保护系统 是二十世纪人们对结构抗振动能力提高上最显著 的成果。 由于l u d 也是一种特殊的阻尼器，所以为了更加清楚的了解l u d 和阻尼器的关系， 以下列出了阻尼器发展到今天所经历的阶段。 ( 1 ) 阻尼器的发展初期，几乎都设有外置油库，因这些外部装置易破坏，影响阻尼 器的寿命，随着密封技术的成熟，逐渐被内置油库代替。 ( 2 ) 2 0 世纪后期，美国先进的阻尼器生产厂家将用于汽车领域的双出杆阻尼器引用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 到结构工程中。这种双出杆并没有油库的阻尼器也就开始被大力推广使用。 ( 3 ) 阻尼器早期称为缓冲器，中期锁定装置，如今叫做阻尼器。锁定装置是阻尼器 中的一种特殊形式，与阻尼器的结构相似，大多应用于中小地震带范围内的桥梁上。锁 定装置与耗能阻尼器相比，更易制造，且与阻尼器一样，在缓慢运动时，它不会产生附 加约束，可自由运动。一旦受到冲击载荷时，将在设定的运动范围内将具有相对位移的 运动物体锁死，传递冲击载荷。 ( 4 ) 对比阻尼器，使用硅油的锁定装置制作比较简单，特别是阀控式锁定装置，只 需在活塞头内设置一个提升式控制阀，通过控制阀口的启闭即可达到锁定的目的，但是 阀的使用寿命往往较短，特别是工作环境恶劣的情况下，因此此类装置的工作周期较短。 ( 5 ) 最理想的锁定办法是靠活塞头的小孔或者是活塞头与活塞筒壁之间的间隙，产 生阻尼力达到锁定的目的。它已经完全摆脱了锁定装置内易损件，不但延长了阻尼器的 寿命，也大大低了阻尼器的造价。到目前为止，只有美国泰勒公司自称、并有大量的证 据证明，他们的产品可以做到速度指数在很宽的范围内自由调整。 根据阻尼器的发展历程可以看出，阻尼器向着无阀控，靠自身结构来实现不同的阻 尼系数，高可靠性以及高性能的方向发展。而这一发展趋势的代表作就是由美国t a y l o r 公司所生产的液体粘滞阻尼器。 1 2 桥梁锁定装置国内外发展现状 1 2 1 桥梁锁定装置的国外发展状况 阻尼器系统在桥梁上发展历史是从最初的缓冲器到如今的阻尼器，其中锁定装置是 阻尼器的前身。所以说锁定装置( l u d ) 是先于阻尼器产生的，其在桥梁上的应用实际先 于阻尼器，与耗能阻尼器相比，它比较容易制造。且与阻尼器一样，在温度等慢速作用 下，它可以自由运动。当速度超过其控制值时，它会像汽车中的安全带一样将运动锁住， 起到分散和转移受力的作用。 目前，耗能减震装置已在国外的很多桥梁抗震及加固中得到较为广泛的应用睁1 0 】， 具有生产l u d 产品资格的公司主要有以下几家。 法国l e s a g a ，为一家生产l u d 的公司，主要从事于阀控式l u d 的生产。 德国m a g e b a 公司生产的l u d 采用大型减震器技术进行制造，设计结构完全满足各 种先进的抗震技术的具体要求，高性能的材料和配件保证了至少5 0 年的使用寿命。德国 的t e c h s t a r 公司生产的l u d 首次应用到国内的南京三桥。 成立于1 9 5 5 年的美国泰勒公司一直是世界上减震器、液体弹簧、振动隔离系统、吸 能阻尼器等振动控制产品的先驱，拥有世界上最高的振动控制技术泰勒公司出厂的液体 粘滞阻尼器是1 0 0 的免维护产品，液体阻尼器的硅油全都在出厂前已经加好密封，不 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ! i i i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼量曼量曼曼曼量曼曼曼曼曼量曼曼皇曼曼皇曼鼍曼量皇曼皇皇曼曼曼! 曼曼曼曼鼍曼量鼍曼曼鼍曼皇曼曼曼量曼曼 需要向内补加硅油，在正常使用情况下，阻尼器终身免维护。美国t a y l o r 公司生产的l u d 图1 - 1t a y l o r 公司生产的大型l u d 1 。2 2 桥梁锁定装置的国内发展状况 在我国，桥梁的减震应用主要集中于桥梁的基础隔震，有关桥梁的耗能减震及震动 控制减震方面的研究较少 1 l - 1 5 】，因此l u d 在我国桥梁上的应用只有很短的历史，然而 它的发展十分迅速，19 8 9 年颁布了铁路工程抗震设计规范【1 6 】和19 9 0 年颁布了公路工程 抗震设计规范【1 7 】。我国公路规划设计院现今建造桥梁时，对于位于地震区的桥梁上都无 例外地安置了l u d 或者阻尼器。国内一些知名的桥梁，如长江苏通大桥、江阴长江大 桥、南京长江三桥等都已经安置或正在安置了泰勒公司的l u d 或液体粘滞阻尼器，其 发展很快，但快速发展也带来了相应的问题。 ( 1 ) 测试手段和测试规范：l u d 是速度型设备，l u d 在有速度的情况下产生阻尼力， 需要要求比较高的动力试验，和位移测试有很大不同。目前我国的试验设备加载速度只 能到1 0 ( h a x m s - 2 0 0 m m s ，这对于测试阻尼器是远远不够，满足不了工程设计要求，而泰 勒公司相应的动力设备可达1 8 0 0 m m s ，表1 1 给出了国内外在测试设备上的比较。 表1 1 试验设备列表 ( 2 ) 缺少相应完善的设计规范和l u d 验收规程，随着减震装置的发展，最重要的 莫过于建立一个完善的规范，我国设计规范中的很多问题还有待研究。 随着桥梁工程、抗震工程等在我国的发展，l u d 和阻尼器在我国土木工程界的应用 越来越广泛，随着我国基础建设力度的加大，l u d 在我国有十分广阔的应用空间。我们 已有了一个很好的开始，随着进一步的完善，一定会有更加广阔的发展前景。 ( 1 ) 国家政策好：新一轮的交通建设是拉动经济的重要措施，四万亿的投资计划也 已经基本确定。中国近来五年在公路和铁路方面的投资会超过历年来的规模，桥梁建设 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 也会达到空前的规模，这给我们的产品提供了一个很好的发展机遇。 ( 2 ) 桥梁锁定装置( l u d ) 在国际上发达国家已经普遍使用，在国内也有部分桥梁上 ( 南京长江三大桥引桥j 武汉新建的三角洲大桥等) 已经得到应用，但其产品主要是依靠 进1 2 1 。目前国际上只有美国t e c h s t a r 和t a y l e r 公司、意大利f 口公司、英国c o l e b r a n d 公司和德国毛勒公司等五家公司生产。产品技术在国外已经成熟，但国内目前是空白。 ( 3 ) 中国对桥梁装置锁定有较深入的研究和具有使用经验的专家是本项目的负责人 、沈德峰，他先后在孟加拉和印度担任过二座大桥的技术顾问，主持对桥梁锁定装置 的技术方案确定，供货商的考察和对产品的试验、检查、安装实施。回国后与武汉科技 大学等专家教授研究过此产品，并对产品的关键部件、相关技术和资料都有较深的研究。 是项目实施成功的保证。 ( 4 ) 产品重要材料：压缩介质为一种反向触变( r e v e r s et h i x o t r o p i c ) 特性的流体，其粘 度是速度梯度的增函数。已经请专家对材料进行了分析，并且取得了全部数据，国内化 工企业只要增加设备就可以生产。 ( 5 ) 产品重要元件：油封、活塞、活塞杆和缸筒都是特殊材料制作而成，其材质、 热处理和相关联数据都是产品的技术核心部分。我国已经取得了全部的具有自主知识产 权的技术和数据。活塞、活塞杆和缸筒等零件在一般机加工厂都能加工生产。油封要专 用设备生产。 1 3 课题主要研究内容 ( 1 ) 在论文已给出l u d 的基本尺寸基础上，利用m a t l a b 对四种基本结构l u d 进行仿真计算，找出l u d 的特性参数并确定其对工作性能的影响，为l u d 仿真测试时 的特性参数选择提供依据。 ( 2 ) 论文以压缩间隙式l u d 为为研究对象，利用m a t l a b 对其仿真测试，找出一 组满足论文设计要求的特性参数值。 ( 3 ) 论文已压缩间隙式l u d 为研究对象，在( 2 ) 基础上，在a n s y sc f x 中建立仿真 模型进行c f d 计算，对( 2 ) 中的结果进行优化，最终给出满足l u d 实际要求的一组参数。 本文的研究的主要目的是通过优化影响l u d 特性的因素取值来改善l u d 动态特 性，从而设计出满足工作要求的l u d ，因此为l u d 的研发提供了一种参考手段和理论 依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章桥梁锁定装置设计 。本章主要分析了桥梁锁定的工作原理、工作特性和应用场合，并根据其结构和工作 介质的特性对其分类。从不同的角度讲l u d 与阻尼器的异同点进行对比，对l u d 的设 计方法进行简单的总结，给出了l u d 的设计参数以及设计指标。最后，根据美国a a s h t o 中相关规定列出l u d 的测试指标，并提取出论文所需进行的仿真测试项目【1 8 】。 2 1 锁定装置的定义 锁定装置，简称l u d ，是一种能量传递装置，一般由缸体、活塞头、活塞杆、阻尼 孔、粘滞流体阻尼材料和导杆等部分组成，活塞在缸内做往复运动，活塞上有适量小孔 称为阻尼孔，缸筒内装满粘滞阻尼材料【1 9 1 。当活塞与缸筒之间发生相对运动时，由于活 塞前后的压力差使流体阻尼材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力，将能量从活塞杆传 递到缸体，达到能量传递的目的。 目前，绝大多数l u d 结构主要包括：活塞杆、活塞头、缸筒、球铰、紧固螺钉和 密封圈，如图2 1 所示。 图2 - 1l u d 结构简图 l u d 是一种类似速度开关的装置，改变了建筑结构的平动动力约束方式。以应用在 多跨连续梁的桥梁上为例：一个桥梁段有多个桥墩对其支撑，只能有一个固定的桥墩， 其余为滑动桥墩。传统的设计该桥段的全部纵向载荷只能全部由固定桥墩承受。采用了 l u d 以后，将l u d 的两端分别固定在滑动桥墩和桥梁板之间，在桥梁受到突发冲击荷 载，如发生地震、紧急刹车时，它能在吸收一定的冲击能量的同时将桥梁板和纵向滑动 支撑桥墩锁定成一个整体，所有桥墩共同承受纵向的冲击载荷，减小对于桥梁的损害。 这种装置不能耗散能量，或者说只能耗散极少的能量，也不能减小桥墩的受力，主 要是用来分散固定桥墩的受力。在中小地震地区的桥梁，为了控制大风和地震所带来的 运动位移，可以采用简单经济的锁定装置，对于8 度以上的地震区，应使用液体粘滞阻 尼器来控制地震下受力和位移。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 i i 皇曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼蔓曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼舅 2 2 锁定装置与阻尼器的区别 l u d 实际上先于阻尼器在桥梁上得到应用，和耗能阻尼器相比它比较容易制造。在 慢速作用下，和阻尼器一样可以自由运动。当在冲击载荷的作用下，一旦达到其设计值， 立刻将运动锁死( 但是由于液压油具有一定的弹性，其实并不是完全锁死) ，起到分散和 转移受力的作用。 虽然锁定装置是一种特殊的阻尼器，其速度指数一般要在2 以上，但是锁定装置和 阻尼器还是有很大的不同，其异同点如表2 1 所示。 表2 1 锁定装置与耗能阻尼器的区别 表2 1 中罗列出l u d 和阻尼器的具体区别，但是从本质上讲两者的原理基本上相同， 都是通过阻尼小孔、间隙以及薄壁小孔产生阻尼力的，只是l u d 锁定速度和锁定位移 都小得多。 2 3 桥梁锁定装置安装 通常，若某一桥梁上需要安装锁定装置，在建造需安装l u d 的桥面或桥墩时应提 前在其上面安装预埋件，该预埋件即为l u d 安装座。 锁定装置主要是用来控制结构纵向位移( 相对位移) 的。原则上，它应该被安置在结 构最大位移之处。如梁的两端，梁墩之间，塔与梁之间。对于多跨简支梁，为了使结构 形成一个整体，也有时设置在梁梁之间，或其它可能的相对位移的两处，如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 ( a )( b ) 图2 - i 桥面之间l u d 简支梁结构：固定支座承受水平负载，锁定装置可以装在伸缩缝处，使其它墩子分 担负载，如图2 2 所示 l u dl u dl u d 图2 - 2 伸缩缝中l u d 图2 2 中l u d 安装在简支梁之间，整个桥梁由三根简支梁组成，每个桥墩支起两根 简支梁的两端，其中一根简支梁与桥墩固定，而另一根和桥面是滑动支撑。正常情况下， l u d 不影响桥梁的自由伸缩；桥梁剧烈运动时，l u d 将所有简支梁连成一个整体，让 所有桥墩共同分担负载，保护桥梁。 连续梁桥：锁定装置能够通过让邻近的墩子分担负载从而减轻固定墩子的负载，如 图2 3 所示。 图2 - 3 桥面与桥墩问l u d 由图2 3 知在连续梁桥上l u d 安装在滑动桥墩和桥面之间。当桥梁缓慢蠕变时， l u d 不会产生有害约束；当桥梁受到有害冲击时，l u d 将滑动桥墩与桥面锁死，这样 原本由固定桥墩独自承担的有害负载将被有效的分担，从而保护桥梁。 图2 牟图2 7 为国外一些厂家生产的l u d 及其在桥梁上的应用实例。 图2 4 泰勒公司生产大型l u d图2 5 南京三桥引桥的锁定装置 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 6 锁定装置用于卡金斯基桥图2 7 贾木纳大桥的桥梁l u d 由图2 5 和图2 7 可知，大多数情况下l u d 都是安装在桥墩和桥面之间，桥梁受到 冲击载荷时可以及时的将固定桥墩所受载荷分担出去。 2 4 桥梁锁定装置分类 目前国内外所使用的锁定装置主要包括以下三种。 ( 1 ) 流变式l u d ：通过工作介质特性的改变达到锁定的目的； ( 2 ) 阻尼式l u d ：通过活塞上小孔以及活塞与油缸之间的间隙。当粘性介质流过间 隙和小孔时产生压降力和粘滞力，这两者之和即为阻尼力，当该力达到设计要求时，锁 定装置就起到分散作用力的作用了； ( 3 ) 阀控式l u d ：在l u d 的活塞头上或者是l u d 外部安置调节阀，通过阀的开启 与闭合来控制油液的流通情况达到锁定的目的。 2 4 1 工作介质改变 根据流体受到剪切力时，其自身特性的变化可以将流体分为四大类 2 0 2 1 】。即为假塑 型、塑性型、触变型和震凝型，其分类依据即为速度梯度与粘度之间的变化关系。 最初，在缓冲器中的硅质胶泥就被美国a s s h t o 规程允许用在锁定装置中。由于硅 胶的表现不佳，后来，欧洲和美国均使用性能稳定的硅油作锁定装置的黏滞材料。现今， 又逐渐的使用硅树脂化合物作为l u d 的工作介质。 其工作原理为：工作部分为一个两边面积相等的油缸，油缸内充满了高粘度硅树脂 化合物的介质，活塞的两边通过活塞与缸筒的间隙或者活塞上的小孔使活塞两边贯通。 这种介质是震凝流体，即粘度随着速度梯度的增大而增大。当它不受外力或者外力很小 时，该介质可以近似看作为一种流体，在恒定慢速度下可以缓慢地流动；但在瞬时冲击 载荷下又成为了固体。 在当桥梁板只发生温度伸缩，或混凝土的蠕变、收缩等缓慢运动时，该介质始终保 持着流体的性质，可以通过缸壁间隙或者活塞上的小孔从活塞的一边向另一边流动，活 塞可以在缸体内自由移动，油缸不会产生有害的约束力，限制桥梁板的自由运动。当桥 梁受到突发动荷载时，桥梁板带动活塞突然快速移动，介质在间隙内以很高速度流动， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 粘度迅速增加，最后流体几乎变成了固体，活塞因此被锁住【2 2 1 。 当桥梁板被锁住后，活塞的移动速度为0 ，间隙中的介质也就不会流动了，理论上 将该流体的粘度应该迅速下降，又具有流体特性，因此无法锁紧。根据震凝型流体的特 性，当剪切取消后，需要滞后一段时间才能恢复变稀，因此可以在这个松弛时间内完全 锁死，这也是同下文所论述到的只通过阻尼孔或间隙来达到锁定目的的装置的不同之处。 因此，该型l u d 原理非常简单，也很容易制造，但是随着油液的老化，其性能严 重下降。 2 4 2 工作介质特性不变 锁定装置的使用寿命是其重要的性能指标，其工作寿命仅取决于：密封件的寿命、 工作介质的老化和金属部件的腐蚀。采用震凝型流体作为工作介质时，由于其流动特性 不断转变，以及恶劣的工作环境，因此容易老化失效。 早期的锁定装置都是采用硅胶作为工作介质，发现这种材料的温度稳定性极差，长 期使用稳定性差，使用寿命短。最初出厂的产品没有漏油的问题，使用一段时间后，在 冷热环境下的交替变化下，硅油的性能改变，出现油固分离，此时漏油问题就无法避免 了，因此漏油仍然是硅胶作为工作介质的一个致命弱点。 随着密封材料及办法的研究成功，l u d 中的填充材料基本上完成了从硅胶向硅油转 变。因为硅油的特性很稳定，工作温度范围宽：并且体积弹性数可调；油液的特性随温 度变化不大；无污染无害【2 3 。2 5 1 。 硅油作为填充材料的l u d 所产生的阻尼力主要有两部分组成，阻尼孔或者是间隙 产生的粘滞力以及硅油受压缩产生的弹性力。故只要活塞受n 乡 i - 力的作用，就不可能完 全锁死，而是限制活塞在允许范围内运动。其产生的主要阻尼力来源于活塞运动时，油 液经过阻尼孔或者间隙产生的压力差，压力差越大，产生的阻尼力就越大。故可以通过 控制阻尼孔和间隙的形式和大小来控制压差，从而达到控制阻尼力的目标。这一点也是 与通过工作介质的特性改变达到锁定目的l u d 有着本质的区别。 2 4 3 阀控式桥梁锁定装置 阀控式l u d 不同于以上两种u ，其类似于一个“0 ，“l 开关，当活塞的运 动速度未达到阀的起动速度时，调节阀对l u d 的性能没有任何影响；当活塞的运动速 度达到调节阀的起动速度时，调节阀关闭，阻止油液流通，图2 8 所示为一种常用阀控 式u j d 调节阀。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 皇皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼i ii i i i _ _ _ _ _ i i i 一一 i 曼曼曼曼! 曼曼曼曼 调压弹簧阀芯 阻尼孔 图2 8 阀控式l u d 调节阀 该类型l u d 活塞上有两个关键部分：阻尼孔和调节阀，两者并联与活塞上【2 6 j 。l u d 工作时，若活塞相对运动速度较小，则缸内高压腔的压强没有达到调节阀的开启压力， 调节阀闭合，阻尼介质在压差作用下通过与调节阀并联的阻尼孔从缸筒内高压腔流往低 压腔。在流动过程中，由于阻尼孔产生的压降以及粘滞流体的粘性摩擦力构成阻尼力， 通常情况下，在l u d 的计算中摩擦力可以忽略不计。 随着外界载荷的增大，活塞运动速度增大，活塞两端的压差也相应加大。当高压腔 内的压力达到调节阀的开启压力时，调节阀开启溢流，通过阀芯位移的大小控制溢流量； 同时，油液在压差作用下，经阻尼孔从高压腔流往低压腔，因阻尼小孔两端的压差变化 不大，所以阻尼器的最大输出阻尼力保持稳定。 阀控式l u d 可根据调节阀的安装位置分为内置式和外置式；亦可根据调节阀的类 型分为单向式和双向式；亦可根据调节阀的数量分为单级调节和多级调节。 图2 9 所示l u d 即为同一调节阀的两种安装方式。 糕 ( a ) 内置式( b ) 外置式 图2 - 9 单向调节阀控式l u d 图2 - 9 ( a ) 调节阀彼此对置安装，当活塞向右运动时，右边的单向调节阀起作用； 反之，当活塞改变运动方向时，左边的单向调节阀起作用。图2 - 9 c o ) 为一种外置式阀控 l u d ，将控制阀与调速阀并联，通过油管将其与l u d 的两个油腔相连。由图2 - 9 可知， 内置调节阀式l u d 的优点是不需要设置补油装置，受外部环境影响较小，比较耐用； 其缺点是不易维护，制造工艺复杂，成本较高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 设活塞的运动速度为v ，当， 1 ，油液所产生的液动力足以克服弹簧力， 调节阀关闭，此时油液只能通过节流小孔从高压腔流入低压腔，产生很高的压降，故可 以输出较大的阻尼力 1 9 】。 这种形式的阀控式l u d 并没有将油液流通完全封死，故不会产生很大的冲击，但 也无法完全锁死装置。 图2 1 0 为活塞头上安置了一个双向式调节阀l u d ，可以通过设置阀的调定压力来 控制阀的开启速度。 瓣氯姥 图2 一1 0 阀控式l u d 双向式调节阀 由图2 1 0 可知：在不考虑油液压缩性的情况下，假设活塞以较小的速度吒移动( 其 中，。 v ，后，油液流过阻尼孔的压降足以抵抗弹簧的弹性力，高压 腔的压力达到调节阀的开启压力，调节阀的阀芯堵住阻尼孔，导致阻尼介质无法流动， 压力急剧上升，达到锁定目的。虽然此形式的l u d 能通过速度来调控输出阻尼力，但 是具有比较大的冲击。 2 5 桥梁锁定装置计算分析和设计 l u d 的设计计算比较简单，主要选择确定的参数有锁定距离、锁定速度和阻尼力。 通常情况下，l u d 的最大冲程由结构本身决定，即在正常情况下桥梁所允许的自由变形 量( 对于已经给定的l u d 装置来说该参数已经确定) 。 一般情况下，锁定装置的热膨胀速度在o 0 0 0 2 5 4 m m s - - 一o 0 0 2 5 4 m m s 之间，对于主 要用于控制地震的l u d ，其控制速度通常应小于5 0 m m s ，允许的锁定距离为行程的 5 ( 即l u d 输出的阻尼力从o 第一次增加到所设定阻尼力值时，l u d 移动的位移量) 。 对于阻尼力的设计，将l u d 用刚性连杆代替，对其整体受力计算，得出刚性连杆 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 的内力。此力即为论文锁定装置的设计力( 对于已给定的l u d ，其设计力一般已给出) 。 具体的设计参数如表2 2 所示。 表2 2 l u d 设计指标 序号 指标 最大阻尼力( k 最大冲程( w a n ) 控制速度( m m s ) 使用温度范围 最小安全系数( 如果要求) 最大装置尺寸( 如果空间有限) 表2 2 表明，通常情况下l u d 的设计指标有6 个，其中前3 个指标是基本性能指标， 直接影响l u d 工作特性，后3 个确定l u d 的尺寸、使用环境以及安全系数。因本文为 理论研究，不考虑温度和实际的应用情况，对后3 个指标没有严格的要求，主要目的是 通过仿真分析使所研究的l u d 满足前3 个基本性能指标，于是对表2 2 进行修正得到论 文所研究的l u d 设计指标，如表2 3 所示。 表2 - 3 论文l u d 设计指标 表2 3 明确给出论文所仿真计算的l u d 设计指标，主要指标为锁定距离和最大阻尼 力。因为论文是对现有型号的l u d 进行仿真求解，所以设计部分就不需要了，只需对 进行仿真计算，观察仿真结果，检验所设计的l u d 是否合格。 2 6 桥梁锁定装置检验 美国设计规程a a s h t o “s e c t i o n3 2 明确的给出了锁定装置使用前的检验办法【l 引。 在a a s h t o “s e c t i o n 3 2 中，对锁定装置的出图要求，使用的材料，出厂包装和运输， 产品的维护要求及检验都有了明确的规定和要求，对每个产品的出厂检验也都作了明确 的要求和说明。在实际的产品生产中必须严格按照a a s h t o “s e c t i o n3 2 中的测试项 目进行测试，但论文是对l u d 仿真测试，某些测试项目无法做到( 譬如说温度对l u d 工 作特性的影响) ，查阅相关资料并按照国内外一些厂家的测试结果对其简化处理，得到如 表2 4 所示的测试表。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表2 _ 4 论文l u d 测试项目及要求 由表2 4 知，本文只对l u d 进行四项测试，即施加位移测试、模拟动态力的传递、 模拟循环力传递测试和静力测试。目前，国内绝对多数厂家都是对l u d 进行这四项测 试的，因为这四项指标可以直接反映l u d 的性能。 国外的测试水平已经可以达到上表中所列出的各项指标，可是国内的测试水平远落 后于国外，因为l u d 是速度型设备，其在有速度的情况下产生阻尼力，需要要求比较 高的动力实验，而国内的实验加载速度远远满足不了要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第三章桥梁锁定装置m a t l a b 仿真研究 本章通过对几种基本结构l u d 的m a t l a j 3 动态特性仿真找出影响l u d 性能的因 素，通过修改单一因素并保持其他因素不变的方法求出该因素对l u d 是影响特性。根 据论文所提出l u d 的设计指标，以间隙式l u d 作为研究对象进行仿真测试，不断修改 其测试参数( 包括油液动力粘度、体积弹性系数和活塞头与油缸之间的间隙) 直至满足 设计指标，得出一组或几组满足设计要求的参数为第四章l u d 的c f d 仿真计算提供数 学依据。 3 1 阻尼孔流量计算 粘性流体流经细长阻尼孔或者间隙时，会产生压力降，例如间隙l u d 受n ； i - 界冲 击时，缸体与活塞产生相对运动，活塞一侧的容积变小，迫使粘性阻尼材料经过间隙流 向体积增大的一侧，阻尼材料的剪切流动产生粘滞阻尼力以及阻尼材料具有一定的刚度 在压差的作用下产生弹性力，两者之和就是l u d 的输出阻尼力。那么这个压力降是如 何计算的呢? 下面就对几种基本的孔隙进行分析求解，得出流量和压降的关系式。 3 1 1 细长, b f l 流量计算 油液在直管中流动的压力损失必可用式( 3 1 ) 确定 2 7 - 2 9 】： 必：旯喜竿 ( 3 1 ) 式中旯沿程阻力系数； 卜一直管长度； d 管道直径； 1 ，油液的平均速度； p 油液密度。 由式( 3 1 ) 知，压力损失必与管道长度，和油液的平均速度的平方成正比，而与管道 的内径成反比。至于油液的粘度、管壁的粗糙度和流动状态等因素都包含在阻力系数z ， 不同的流动状态时的沿程阻力系数旯值的变化规律也是不同的。 当流动是层流时，直管中的压力损失及阻力系数可用理论分析方法求得。 如图3 1 所示，液体在直径为d 的圆管中自左向右作层流运动，在液流中取轴线与 管道轴线重合的小圆柱体，其直径为2 ，长为，。作用在这个小圆柱体上的轴向力由两 端的压力p l ，优和圆柱体侧面的剪切应力f 组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 志 屯 甲 p l 图3 - 1 液体在管中作层流运动时的作用力分析 其力平衡方程为： 纸一p 2 ) 刀2 2 m l r = 0 ( 3 2 ) 由牛顿内摩擦定律【2 明知： f ：一_ d u ( 3 3 ) 因为流速u 随着，的增加而降低，所以增加了负号，保证f 值始终为正值。将式( 3 3 ) 代入式( 3 - 2 ) 得： 石d u = 一学厂 刚- t a r ) 一= 一二_ r ，- 办 2 以 、 积分上式得： ”一等。r 2 + c ( 3 - 5 ) 由边界条件，= d 2 时，u = 0 ，可以求得积分常数，最终得到u 的表达式如： “= 等降，2 ) p 6 ， 4 l4j 、。 在管中心，即，= 0 时，流速最大，其值为： “= 学 m 由式