本发明涉及桥梁减震结构技术领域，具体的说是桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器及其减震方法。
背景技术：
桥梁结构在风荷载、地震荷载、车辆和人致荷载、泥石流以及其他形式冲击荷载作用下会产生各个方向的振动，严重影响桥梁结构的正常使用甚至导致结构失效，由此造成巨大的生命财产损失，由此桥梁结构的抗风、抗震、抗冲击问题以及车辆和人致荷载作用问题越来越成为目前的研究热点。
调谐质量阻尼器(tunedmassdamper，简称tmd)系统，是通过在主结构顶部增加质量块，并且通过弹簧和阻尼器对质量块进行刚度和阻尼调谐，当主结构产生振动时使之产生反作用于主结构振动方向的作用力，从而达到调谐减震的效果。
调谐质量阻尼器在桥梁中进行了大量的运用，主要针对人致荷载作用下的低频振动问题，随着我国越来越多的大型桥梁的建设，技术水平的进步，对桥梁的振动控制提出了越来越高的要求。
在当前工程运用中，tmd结构只能运用于某个单一方向的调谐减震作用，当需要进行不同方向多维减震时，需要设置不同方向的调谐质量阻尼器，这大大增加了附加结构的质量导致的对主结构的不良作用。桥梁结构不同于建筑结构，由于其xyz轴三个方向刚度差别很大，而且作用的主要荷载类型也不同，因此在不增加或少增加附加结构质量的前提下，研究可以对xyz三轴进行同时调谐减震的多维tmd结构，对于风荷载、地震荷载、车辆和人致荷载、泥石流以及其他形式冲击荷载等方面的振动控制，具有非常重要的价值。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明目的是提供一种可保证三向独立减震控制的、能够应对复杂多样环境下桥梁结构多维减震控制且生产成本较低的质量阻尼器及其计算方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，包括x轴方向质量块单元、y轴方向质量块单元、z轴方向质量块单元、x轴方向弹簧单元、y轴方向弹簧单元、z轴方向弹簧单元、x轴方向阻尼器单元、y轴方向阻尼器单元、z轴方向阻尼器单元、底座单元，所述底座单元固结在桥梁结构上，所述x轴方向质量块单元水平安装在所述底座单元上并沿x轴方向保持相对滑动，所述x轴方向质量块单元的x轴两端通过所述x轴方向弹簧单元、x轴方向阻尼器单元与所述底座单元水平固定连接，所述y轴方向质量块单元水平安装在所述x轴方向质量块单元上并沿y轴方向保持相对滑动，所述y轴方向质量块单元的y轴两端通过所述y轴方向弹簧单元、y轴方向阻尼器单元与所述x轴方向质量块单元水平固定连接，所述z轴方向质量块单元竖直安装在所述y轴方向质量块单元上并沿z轴方向保持相对滑动，所述z轴方向质量块单元的底端通过所述z轴反方向弹簧单元、z轴方向阻尼器单元与所述y轴方向质量块单元竖直固定连接。
所述z轴方向质量块单元整体呈长方体结构，所述z轴方向质量块单元嵌套在所述y轴方向质量块单元顶部且y轴方向质量块单元与z轴方向质量块单元整体呈长方体结构，所述y轴方向质量块单元嵌套咋所述x轴方向质量块单元顶部且x轴方向质量块单元、y轴方向质量块单元、z轴方向质量块单元整体呈长方体结构。
根据实际工程需要，更换所述x轴方向质量块单元、y轴方向质量块单元、z轴方向质量块单元的内外位置关系以调接至减震效果最佳，更换后对应的轴方向弹簧单元、y轴方向弹簧单元、z轴方向弹簧单元、x轴方向阻尼器单元、y轴方向阻尼器单元、z轴方向阻尼器单元的位置关系保持与x轴方向质量块单元、y轴方向质量块单元、z轴方向质量块单元位置相对应。
所述底座单元上x轴方向质量块单元的设置处沿x轴方向水平设置有平行设置的x轴方向卡槽单元，所述x轴方向质量块单元卡接在所述x轴方向卡槽单元中并沿x轴方向卡槽单元相对运动，所述x轴方向质量块单元上y轴方向质量块单元的设置处沿y轴方向水平设置有平行设置的y轴方向卡槽单元，所述y轴方向质量块单元卡接在所述y轴方向卡槽单元中并沿y轴方向卡槽单元相对运动，所述y轴方向质量块单元上z轴方向质量块单元的设置处沿x轴方向竖直设置有平行设置的z轴方向卡槽单元，所述z轴方向质量块单元卡接在所述z轴方向卡槽单元中并沿z轴方向卡槽单元相对运动。
所述x轴方向卡槽单元采用固结安装的方式或在所述底座单元上挖设的方式设置在所述底座单元上，所述y轴方向卡槽单元采用固结安装的方式或在所述x轴方向质量块单元上挖设的方式设置在所述x轴方向质量块单元上，所述z轴方向卡槽单元采用固结安装的方式或在所述y轴方向质量块单元上挖设的方式设置在所述y轴方向质量块单元上。
所述x轴方向卡槽单元、y轴方向卡槽单元、z轴方向卡槽单元采用t型卡槽。
所述x轴方向质量块单元的滑动面与所述底座单元的接触面上均匀铺设有滚珠，y轴方向质量块单元的滑动面与x轴方向质量块单元的接触面上均匀铺设有滚珠。
桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器的计算方法，当x轴方向质量块单元、y轴方向质量块单元、z轴方向质量块单元由外到内对应设置时，其计算模型如下：
x轴方向计算公式：
y轴方向计算公式：
z轴方向计算公式：
其中：
m0、m1、m2、m3分别代表桥梁结构和x轴方向质量块单元、y轴方向质量块单元、z轴方向质量块单元的质量；
x0、y0、z0分别是桥梁结构在x、y、z三个方向相对于地面的位移；
x、y、z分别是所述三向多维质量调谐阻尼器在x、y、z三个方向相对于地面的位移；
c0x、c0y、c0z分别是桥梁结构在x、y、z三个方向的阻尼；
k0x、k0y、k0z分别是桥梁结构在x、y、z三个方向的刚度；
c1、c2、c3分别是x轴方向阻尼器单元、y轴方向阻尼器单元、z轴方向阻尼器单元的阻尼；
k1、k2和k3分别是x轴方向弹簧单元、y轴方向弹簧单元、z轴方向弹簧单元的刚度；
根据实际工程需要，更换所述x轴方向质量块单元、y轴方向质量块单元、z轴方向质量块单元的内外位置关系以调接至减震效果最佳，更换后三向多维质量调谐阻尼器的计算方法需根据上式进行相应的改变。
本发明的有益效果：本发明可保证三向独立减震控制的同时，节省材料的利用率，减少调谐质量阻尼器系统由于自身重量问题导致的负面影响，大大降低了质量块的整体质量；
该项技术安装简单、更换维修方面、运用面广、计算简单，可广泛运用于桥梁结构在复杂条件下例如风荷载、地震荷载、车辆和人致荷载、泥石流以及其他形式冲击荷载等不同荷载在不同方向作用下的三向多维减震控制。
附图说明
图1为三向多维调谐质量阻尼器的主视图；
图2为三向多维调谐质量阻尼器的侧视图；
图3为三向多维调谐质量阻尼器的俯视图；
图4为三向多维调谐质量阻尼器根据实际工程需要，更换x轴方向质量块单元、y轴方向质量块单元、z轴方向质量块单元的内外位置关系示意图。
图中：1为x轴方向质量块单元、2为y轴方向质量块单元、3为z轴方向质量块单元、4为x轴方向弹簧单元、5为y轴方向弹簧单元、6为z轴方向弹簧单元、7为x轴方向阻尼器单元、8为y轴方向阻尼器单元、9为z轴方向阻尼器单元、10为x方向卡槽单元、11为y轴方向卡槽单元、12为z轴方向卡槽单元、13为底座单元、14为滚珠。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅1-3，桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，包括x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3、x轴方向弹簧单元4、y轴方向弹簧单元5、z轴方向弹簧单元6、x轴方向阻尼器单元7、y轴方向阻尼器单元8、z轴方向阻尼器单元9、底座单元13，底座单元13固结在桥梁结构上，x轴方向质量块单元1水平安装在底座单元13上并沿x轴方向保持相对滑动，x轴方向质量块单元1的x轴两端通过x轴方向弹簧单元4、x轴方向阻尼器单元7与底座单元13水平固定连接，y轴方向质量块单元2水平安装在x轴方向质量块单元1上并沿y轴方向保持相对滑动，y轴方向质量块单元2的y轴两端通过y轴方向弹簧单元5、y轴方向阻尼器单元8与x轴方向质量块单元1水平固定连接，z轴方向质量块单元3竖直安装在y轴方向质量块单元2上并沿z轴方向保持相对滑动，z轴方向质量块单元3的底端通过z轴反方向弹簧单元6、z轴方向阻尼器单元9与y轴方向质量块单元2竖直固定连接。
实施例2
请参阅1-4，对实施例1做进一步详细描述，本发明中，z轴方向质量块单元3整体呈长方体结构，z轴方向质量块单元2嵌套在y轴方向质量块单元2顶部且y轴方向质量块单元2与z轴方向质量块单元3整体呈长方体结构，y轴方向质量块单元2嵌套咋x轴方向质量块单元1顶部且x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3整体呈长方体结构，能够增加x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3整体的统一性，方便对其在桥梁结构上的固结；
根据实际工程需要，更换x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3的内外位置关系以调接至减震效果最佳，更换后对应的轴方向弹簧单元4、y轴方向弹簧单元5、z轴方向弹簧单元6、x轴方向阻尼器单元7、y轴方向阻尼器单元8、z轴方向阻尼器单元9的位置关系保持与x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3位置相对应，以应对不同工程环境，增加使用广度；
底座单元13上x轴方向质量块单元1的设置处沿x轴方向水平设置有平行设置的x轴方向卡槽单元10，x轴方向质量块单元1卡接在x轴方向卡槽单元10中并沿x轴方向卡槽单元10相对运动，保证x轴方向卡槽单元10限制x轴方向质量块单元1在y轴方向的运动，但允许x轴方向质量块单元1在x轴方向运动，x轴方向质量块单元1上y轴方向质量块单元2的设置处沿y轴方向水平设置有平行设置的y轴方向卡槽单元11，y轴方向质量块单元2卡接在y轴方向卡槽单元11中并沿y轴方向卡槽单元11相对运动，保证y轴方向卡槽单元11限制y轴方向质量块单元2在x轴方向的运动，但允许y轴方向质量块单元2在y轴方向运动，y轴方向质量块单元2上z轴方向质量块单元3的设置处沿x轴方向竖直设置有平行设置的z轴方向卡槽单元12，z轴方向质量块单元3卡接在z轴方向卡槽单元12中并沿z轴方向卡槽单元12相对运动，保证z轴方向质量块单元3仅在z轴方向运动；
x轴方向卡槽单元10采用固结安装的方式或在底座单元13上挖设的方式设置在底座单元13上，y轴方向卡槽单元11采用固结安装的方式或在x轴方向质量块单元1上挖设的方式设置在x轴方向质量块单元1上，z轴方向卡槽单元12采用固结安装的方式或在y轴方向质量块单元2上挖设的方式设置在y轴方向质量块单元2上；
x轴方向卡槽单元10、y轴方向卡槽单元11、z轴方向卡槽单元12采用t型卡槽，保证其只能在一个方向进行滑动，可保证三向多维调谐质量阻尼器进行三向独立减震控制；
x轴方向质量块单元1的滑动面与底座单元13的接触面上均匀铺设有滚珠14，y轴方向质量块单元2的滑动面与x轴方向质量块单元1的接触面上均匀铺设有滚珠14，保证x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2的稳定滑动。
实施例3
桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器的计算方法，当x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3由外到内对应设置时，其计算模型如下：
x轴方向计算公式：
y轴方向计算公式：
z轴方向计算公式：
其中：
m0、m1、m2、m3分别代表桥梁结构和x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3的质量；
x0、y0、z0分别是桥梁结构在x、y、z三个方向相对于地面的位移；
x、y、z分别是三向多维质量调谐阻尼器在x、y、z三个方向相对于地面的位移；
c0x、c0y、c0z分别是桥梁结构在x、y、z三个方向的阻尼；
k0x、k0y、k0z分别是桥梁结构在x、y、z三个方向的刚度；
c1、c2、c3分别是x轴方向阻尼器单元7、y轴方向阻尼器单元8、z轴方向阻尼器单元9的阻尼；
k1、k2和k3分别是x轴方向弹簧单元4、y轴方向弹簧单元5、z轴方向弹簧单元6的刚度；
根据实际工程需要，更换所述x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3的内外位置关系以调接至减震效果最佳，更换后三向多维质量调谐阻尼器的计算方法需根据上式进行相应的改变。
实施例4
请参阅图1-4，本发明的工作原理是：x轴方向质量块单元1、x轴方向弹簧单元4、x轴方向阻尼器单元7、x方向卡槽单元10和x轴方向质量块单元1下的滚珠14共同组成x方向调谐质量阻尼器系统，根据质量不完全共用的思想，同时利用y轴方向质量块单元2和z轴方向质量块单元3共同参与x轴方向的调谐减震作用；
y方向调谐质量阻尼器系统包括y轴方向质量块单元2、y轴方向弹簧单元5、y轴方向阻尼器单元8、y方向卡槽单元11和y轴方向质量块单元2下的滚珠14共同组成，根据质量不完全共用的思想，同时利用z轴方向质量块单元3共同参与y轴方向的调谐减震作用；
z方向调谐质量阻尼器系统包括z轴方向质量块单元3、z轴方向弹簧单元6、z轴方向阻尼器单元9和z方向卡槽单元12共同组成，根据质量不完全共用的思想，仅z轴方向质量块单元3进行z轴方向的调谐减震作用；
根据实际工程需要，更换x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3的内外位置关系以调接至减震效果最佳，更换后对应的轴方向弹簧单元4、y轴方向弹簧单元5、z轴方向弹簧单元6、x轴方向阻尼器单元7、y轴方向阻尼器单元8、z轴方向阻尼器单元9的位置关系保持与x轴方向质量块单元1、y轴方向质量块单元2、z轴方向质量块单元3位置相对应，以应对不同工程环境，增加使用广度，如图4所示，更换后模型不仅限于图4，凡在本发明的精神和原则下进行的任何改进和替换，均在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
技术特征：
1.桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，其特征在于：包括x轴方向质量块单元(1)、y轴方向质量块单元(2)、z轴方向质量块单元(3)、x轴方向弹簧单元(4)、y轴方向弹簧单元(5)、z轴方向弹簧单元(6)、x轴方向阻尼器单元(7)、y轴方向阻尼器单元(8)、z轴方向阻尼器单元(9)、底座单元(13)，所述底座单元(13)固结在桥梁结构上，所述x轴方向质量块单元(1)水平安装在所述底座单元(13)上并沿x轴方向保持相对滑动，所述x轴方向质量块单元(1)的x轴两端通过所述x轴方向弹簧单元(4)、x轴方向阻尼器单元(7)与所述底座单元(13)水平固定连接，所述y轴方向质量块单元(2)水平安装在所述x轴方向质量块单元(1)上并沿y轴方向保持相对滑动，所述y轴方向质量块单元(2)的y轴两端通过所述y轴方向弹簧单元(5)、y轴方向阻尼器单元(8)与所述x轴方向质量块单元(1)水平固定连接，所述z轴方向质量块单元(3)竖直安装在所述y轴方向质量块单元(2)上并沿z轴方向保持相对滑动，所述z轴方向质量块单元(3)的底端通过所述z轴反方向弹簧单元(6)、z轴方向阻尼器单元(9)与所述y轴方向质量块单元(2)竖直固定连接。
2.根据权利要求1所述的桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，其特征在于：所述z轴方向质量块单元(3)整体呈长方体结构，所述z轴方向质量块单元(2)嵌套在所述y轴方向质量块单元(2)顶部且y轴方向质量块单元(2)与z轴方向质量块单元(3)整体呈长方体结构，所述y轴方向质量块单元(2)嵌套咋所述x轴方向质量块单元(1)顶部且x轴方向质量块单元(1)、y轴方向质量块单元(2)、z轴方向质量块单元(3)整体呈长方体结构。
3.根据权利要求1所述的桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，其特征在于：根据实际工程需要，更换所述x轴方向质量块单元(1)、y轴方向质量块单元(2)、z轴方向质量块单元(3)的内外位置关系以调接至减震效果最佳，更换后对应的轴方向弹簧单元(4)、y轴方向弹簧单元(5)、z轴方向弹簧单元(6)、x轴方向阻尼器单元(7)、y轴方向阻尼器单元(8)、z轴方向阻尼器单元(9)的位置关系保持与x轴方向质量块单元(1)、y轴方向质量块单元(2)、z轴方向质量块单元(3)位置相对应。
4.根据权利要求1所述的桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，其特征在于：所述底座单元(13)上x轴方向质量块单元(1)的设置处沿x轴方向水平设置有平行设置的x轴方向卡槽单元(10)，所述x轴方向质量块单元(1)卡接在所述x轴方向卡槽单元(10)中并沿x轴方向卡槽单元(10)相对运动，所述x轴方向质量块单元(1)上y轴方向质量块单元(2)的设置处沿y轴方向水平设置有平行设置的y轴方向卡槽单元(11)，所述y轴方向质量块单元(2)卡接在所述y轴方向卡槽单元(11)中并沿y轴方向卡槽单元(11)相对运动，所述y轴方向质量块单元(2)上z轴方向质量块单元(3)的设置处沿x轴方向竖直设置有平行设置的z轴方向卡槽单元(12)，所述z轴方向质量块单元(3)卡接在所述z轴方向卡槽单元(12)中并沿z轴方向卡槽单元(12)相对运动。
5.根据权利要求4所述的桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，其特征在于：所述x轴方向卡槽单元(10)采用固结安装的方式或在所述底座单元(13)上挖设的方式设置在所述底座单元(13)上，所述y轴方向卡槽单元(11)采用固结安装的方式或在所述x轴方向质量块单元(1)上挖设的方式设置在所述x轴方向质量块单元(1)上，所述z轴方向卡槽单元(12)采用固结安装的方式或在所述y轴方向质量块单元(2)上挖设的方式设置在所述y轴方向质量块单元(2)上。
6.根据权利要求5所述的桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，其特征在于：所述x轴方向卡槽单元(10)、y轴方向卡槽单元(11)、z轴方向卡槽单元(12)采用t型卡槽。
7.根据权利要求1所述的桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，其特征在于：所述x轴方向质量块单元(1)的滑动面与所述底座单元(13)的接触面上均匀铺设有滚珠(14)，y轴方向质量块单元(2)的滑动面与x轴方向质量块单元(1)的接触面上均匀铺设有滚珠(14)。
8.桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器的计算方法，其特征在于，当x轴方向质量块单元(1)、y轴方向质量块单元(2)、z轴方向质量块单元(3)由外到内对应设置时，其计算模型如下：
x轴方向计算公式：
y轴方向计算公式：
z轴方向计算公式：
其中：
m0、m1、m2、m3分别代表桥梁结构和x轴方向质量块单元(1)、y轴方向质量块单元(2)、z轴方向质量块单元(3)的质量；
x0、y0、z0分别是桥梁结构在x、y、z三个方向相对于地面的位移；
x、y、z分别是所述三向多维质量调谐阻尼器在x、y、z三个方向相对于地面的位移；
c0x、c0y、c0z分别是桥梁结构在x、y、z三个方向的阻尼；
k0x、k0y、k0z分别是桥梁结构在x、y、z三个方向的刚度；
c1、c2、c3分别是x轴方向阻尼器单元(7)、y轴方向阻尼器单元(8)、z轴方向阻尼器单元(9)的阻尼；
k1、k2和k3分别是x轴方向弹簧单元(4)、y轴方向弹簧单元(5)、z轴方向弹簧单元(6)的刚度；
9.根据权利要求8所述的桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器的计算方法，其特征在于：根据实际工程需要，更换所述x轴方向质量块单元(1)、y轴方向质量块单元(2)、z轴方向质量块单元(3)的内外位置关系以调接至减震效果最佳，更换后三向多维质量调谐阻尼器的计算方法需根据上式进行相应的改变。
技术总结
本发明公开了桥梁结构减震的三向多维调谐质量阻尼器，其中，x轴方向质量块单元安装在底座单元上并沿x轴方向相对滑动，其x轴两端通过x轴方向弹簧单元、x轴方向阻尼器单元与底座单元连接，y轴方向质量块单元安装在x轴方向质量块单元上并沿y轴方向相对滑动，其y轴两端通过y轴方向弹簧单元、y轴方向阻尼器单元与x轴方向质量块单元连接，z轴方向质量块单元竖直安装在y轴方向质量块单元上并沿z轴方向相对滑动，其底端通过z轴反方向弹簧单元、z轴方向阻尼器单元与y轴方向质量块单元连接。本发明具有可保证三向独立减震控制的、能够应对复杂多样环境下桥梁结构多维减震控制且生产成本较低的有益效果。
技术研发人员：王常明;李百隆;尹新生
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：.10.30
技术公布日：.01.17
