本系统为桥梁设计了一种集成的空气能驱动的自适应调谐减振与监测装置,其核心组件包括桥梁健康监测系统、空气能装置、钢板弹簧、碟形弹簧、电磁阻尼器、液压阻尼器、液压位移放大机构及作动器。该系统能够实时监测桥梁状态,分析结构问题,并根据振动和温度数据自动调节减振装置,以实现自适应控制。空气能装置不仅作为质量块减振,还负责温湿度调节,配合弹簧和阻尼系统,有效管理桥梁的多向振动,调节温差,延长桥梁寿命。
背景技术
随着桥梁工程技术的发展,桥梁结构的跨度不断增大,对抗震和抗风的性能需求也日益提高。在地震动、风振和车辆动载等动力作用下,大跨桥梁容易产生大幅度振动和明显的挠度,可能导致结构损坏甚至倒塌。为了有效抑制桥梁的振动,提高其安全性和耐久性,可采用各种减振技术和装置对桥梁动力响应进行控制。常用的耗能减振装置主要包括调谐阻尼器、金属耗能阻尼器、粘滞阻尼器及隔震支座等,其中调谐质量阻尼器(TunedMass Damper,TMD)作为一种经典的耗能减振装置,因其显著的减振效果和经济效益而得到了广泛研究和应用。
传统的被动型TMD减振装置通常由单独的质量块、弹簧和阻尼器组成,被动型TMD减振装置的频率通常设计为被控结构的基本频率,从而实现共振或类共振,但其灵活性、稳定性和通用性较差。当振动频率发生变化或存在多频率振动时,减振效果会显著下降。如果设计不当或系统受外部干扰,TMD装置本身可能出现不必要的抖振,反而增加了结构的振动幅值和破坏风险。
主动型TMD减振装置通常是在被动型TMD的基础上配备传感器和控制系统,能够实时监测结构振动情况并进行动态调整,具有更高的减振能力,尤其在多频率和复杂振动环境中表现优异。完备的主动型TMD减振装置通常由质量块、弹簧、阻尼器、驱动器组成。
此外,结构健康监测系统在一些重要桥梁中得到应用。桥梁健康监测系统的核心功能是对桥梁的状态进行实时监测和分析,以及时发现潜在的结构问题,确保桥梁的安全性和稳定性。为了实现这一目的,桥梁健康监测系统需要依赖各种传感器、数据采集模块、通信模块以及控制模块,这些设备都需要稳定的电力供应和适宜的环境温度与湿度,以确保能够持续、精确地监测桥梁结构的状态,并及时发现潜在的问题。传统桥梁健康监测系统的传感器和信号采集仪等电子设备均需要较长的电源线或信号线,受限于大跨桥梁的复杂性及其周边电力设备的不完备,现场布线异常繁琐,可能出现供电困难或电线的数量和长度影响桥梁正常的监管和运营的情况。如果能利用新型能源采集技术在桥梁本体上获取能源,而不使用外部提供的工程电力,则可极大地减少电源线长度并实现健康系统的轻量化实施和低成本运营。若获取的新型能源比较充足,也可以为包括主动型TMD等减振装置在内的桥梁减振装置提供电力。
空气能是指利用空气中蕴含的热能进行供暖和制冷的一种可再生能源技术,空气能设备一般由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀组成,空气能的工作原理基于热泵技术,它利用空气中的低温热量来实现供暖或制冷。系统的蒸发器负责从外界空气中吸收热量,液态制冷剂在此过程中蒸发成气态。然后,气态制冷剂被压缩机压缩,升高温度和压力,变成高温高压气体。接下来,高温气体进入冷凝器,释放出热量用于加热水或供暖,制冷剂在冷凝器中冷却并重新变为液态。经过冷凝后,液态制冷剂通过膨胀阀减压,降低温度和压力,回到低温状态,再进入蒸发器完成循环。各部件的紧密联系确保了热量在系统中的有效传递,实现持续的加热或制冷功能,整个过程仅需少量的电能驱动压缩机运转,从空气中吸收大量免费的热能,可以有效地节约能源。
空气能的主要优点包括高效、节能、环保、安全和舒适。良好的空气能设备的能效比高达400%以上,并可自动调节温度和湿度。然而,传统的空气能设备重量较大,且在内外温差比较小的结构中使用效果略差,因此其在大型工程结构中的应用还需要推广和改进。需要注意的是,大跨度桥梁的主梁主要为梁钢筋混凝土箱梁或钢箱,内部空间较大,适合布置减振装置和监测系统。箱梁在受太阳辐射引起的温度变化作用下,箱形桥身结构向阳表面温度迅速上升,但由于混凝土等材料的热传导性能较差,结构内部大部分区域仍处于原来的温度状态,从而在箱形桥身中形成较大的温度梯度。这一特点使得空气能装置恰好特别适合在箱梁内部使用,为桥梁和相关设备的运行提供绿色能源和合理的温湿度环境。此外,对于通常会出现的空气能装置重量偏大的不利情况,在桥梁减振中也刚好可以将空气能装置作为调谐质量阻尼器的质量块部分,起到减振的关键作用,从而化不利为有利,提高了空气能的实用性。
基于上述背景,本发明提出一种基于空气能的桥梁内置多维自适应调谐减振及监测装置,配合精确设计的弹簧和阻尼系统,进一步增强TMD减振系统的减振能力。此外,空气能装置还可以为桥梁和健康监测系统的正常运行提供合理的温湿度控制。另外,系统中的液压位移放大机构和作动器使得TMD减振系统能够根据桥梁的实际振动情况进行实时调节和自适应控制,从而优化减振效果,实现对桥梁振动的有效控制,延长桥梁的使用寿命。
实现思路