本發明涉及拱橋吊桿振動抑制領域，尤其涉及一種拱橋吊桿調諧質量慣質阻尼器及其優化設計方法。

背景技術：

1、在隨著經濟的發展，人們對交通工程的需求日益增長。近年來，我國大跨度橋梁建設迎來跨越式發展，跨江越海的超級工程接連涌現。在此背景下，拱橋憑借跨越能力強、造型典雅莊重的獨特優勢，成為眾多城市跨江大橋、文旅地標橋的首選橋型。當前，世界最大跨徑拱橋已突破600米級（如廣西某三橋，跨徑600米，為世界最大跨徑鋼管混凝土拱橋），而作為拱橋的“生命線”，吊桿承擔著傳遞橋面荷載、協調主拱變形的核心功能，其長度隨跨徑增大顯著增加，目前最長吊桿已達80余米。然而，此類吊桿作為典型細長柔性構件，具有長細比大、固有頻率低、阻尼特性弱等特征，在風荷載等外部激勵下，極易激發大幅振動，嚴重威脅結構長期安全與使用舒適度，因此迫切需要一種高效的拱橋吊桿振動抑制技術。

2、當前吊桿振動控制方案主要包括氣動以及機械減振兩類，氣動措施一般采用對吊桿斷面進行不同尺寸倒角以及在原吊桿四周挖格構式孔從而抑制吊桿振動，然而其控制效果有限且需要進行大量的風洞試驗找到最優設計。機械措施主要通過在吊桿上加裝阻尼器（如擺式tmd、磁環吸振器、液體阻尼器等），從而抑制振動。專利文獻（cn?110528381?a）公開了一種大跨橋梁長吊桿減振的四線擺式調諧質量阻尼器及設計方法，該阻尼器實現減振的方式包括通過阻尼器擺動反饋給吊桿一個與吊桿振動方向相反的控制力以及通過擺線與支架連接處的萬向轉動球鉸或/和吊桿與配重間的空氣阻尼器等耗散能量。專利文獻（cn111637186?b）公開了一種吊桿減振的雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器及設計方法，該阻尼器實現減振的方式包括通過反饋與吊桿振動方向相反的控制力，使吊桿振動能量轉移到吸振器進而較少返還吊桿以及通過萬向輪與底座間的摩擦、加裝空氣阻尼器等措施耗散能量。專利文獻（cn?107657126?b）公開了一種控制大跨橋梁長吊桿振動的環形圓柱體調諧液體阻尼器及設計方法，該裝置通過使得箱體內液體晃動耗能并利用液體晃動對桶壁施加側向力，實現對吊桿動力響應的控制。上述機械減振裝置振子質量以及尺寸過大，一方面會對橋面上駕駛車輛的人員產生很強的恐懼感，并有掉落的風險；另一方面，會改變吊桿氣動外形從而加劇吊桿振動現象。為克服這一缺陷，一些學者提出了使用慣質來減小所需安裝質量大小，如滾軸絲杠慣容器、齒輪齒條慣容器等等，但是這類慣容器雖然可以減小質量塊的質量，但是存在慣容器體積較大、裝置不緊湊、對結構振幅要求高等缺陷。且以上專利文獻研究對象均為安裝在懸索橋上的圓形截面吊桿，針對拱橋h形吊桿，可能存在無法使用的情況。因此，亟需開發一種適用于拱橋h形吊桿的振動特性、減振效果好、慣容器體積小且效果好、緊湊性高、魯棒性強、耐久性高且易于安裝維護的新型阻尼裝置。

技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構緊湊、輕量化、高效耗能且長期穩定的拱橋吊桿調諧質量慣質阻尼器及其優化設計方法。

2、第一方面，為解決上述技術問題，本發明的拱橋吊桿調諧質量慣質阻尼器采用以下技術方案：

3、一種基于手性超材料的拱橋吊桿調諧質量慣質阻尼器，包括質量盤、慣容盤、中軸桿和緊固機構，所述質量盤可移動地套在中軸桿上，所述慣容盤套于中軸桿上并可相對中軸桿轉動，所述質量盤與慣容盤之間連接有多根手性超材料螺桿，多根手性超材料螺桿以質量盤的中心進行圓周方向的手性排列，所述質量盤遠離慣容盤的端面設有壓縮彈性件，當調諧質量慣質阻尼器與吊桿連接時，通過緊固機構將中軸桿固定在吊桿上，所述壓縮彈性件抵設在質量盤與吊桿之間。

4、通過上述技術方案，當吊桿振動時，其振動通過壓縮彈性件傳遞至質量盤，驅動質量盤沿中軸桿軸向運動；質量盤的運動通過多根手性超材料螺桿轉換為慣容盤的旋轉運動。該過程利用手性結構的壓縮-扭轉耦合效應，將直線振動高效轉化為旋轉慣性運動，以較小的物理質量實現顯著的慣性放大效果，從而在降低阻尼器整體質量與體積的同時，顯著提升對吊桿振動的抑制能力，并增強裝置的緊湊性與安裝適應性。

5、作為上述技術方案的進一步改進，還包括殼體，所述中軸桿固定在殼體內，所述殼體內壁上相對布置有n極永磁體和s極永磁體，所述質量盤為導電體，所述質量盤、n極永磁體和s極永磁體構成電渦流阻尼單元。

6、作為上述技術方案的進一步改進，所述慣容盤包括內盤和外盤，所述外盤套在內盤外周且二者可相對轉動，所述內盤固定套于中軸桿上。

7、作為上述技術方案的進一步改進，所述內盤與外盤之間設有環槽，所述環槽內設置多個球軸承。

8、作為上述技術方案的進一步改進，所述質量盤朝向慣容盤的端面設有防撞墊塊；或者，所述慣容盤朝向質量盤的端面設有防撞墊塊。

9、作為上述技術方案的進一步改進，所述緊固機構包括u型座，所述中軸桿遠離壓縮彈性件一端穿出殼體，并與u型座的內側面固定連接，所述u型座的兩端通過螺栓與吊桿固定連接。

10、第二方面，為解決上述技術問題，本發明的拱橋吊桿調諧質量慣質阻尼器的優化設計方法采用以下技術方案：

11、一種上述的基于手性超材料的拱橋吊桿調諧質量慣質阻尼器的優化設計方法，包括如下步驟：

12、s1、吊桿參數獲取：獲取待控制拱橋吊桿的結構參數與動力參數，所述動力參數包括吊桿的一階彎曲自振頻率及模態質量；

13、s2、手性超材料螺桿的參數設計：根據手性超材料螺桿的初始夾角及螺旋度、慣容盤的半徑、慣容盤的慣性矩獲取手性超材料螺桿的慣質放大系數；

14、s3、目標參數優化：以阻尼器安裝位置與吊桿長度的比值、質量盤與吊桿模態質量的比值、以及最優慣質放大系數為優化變量，以吊桿的一階彎曲自振頻率及模態質量為輸入，通過不動點法結合優化算法，計算得到最優的阻尼器安裝位置、最優慣質放大系數、最優質量比；

15、s4、電渦流阻尼參數設計：根據上述得到的最優參數，計算出電渦流阻尼單元的最優阻尼系數，并由此設計n極永磁體、s極永磁體和質量盤尺寸；

16、s5、調諧驗證：采用數值模擬或實驗方法，對安裝有阻尼器的吊桿系統進行減振效果驗證，確保吊桿系統在吊桿（9）頻率變化時保持魯棒性。

17、作為上述技術方案的進一步改進，所述步驟s2中，慣質放大系數的計算公式為：

18、，其中，為手性超材料螺桿的初始夾角，為手性超材料螺桿的螺旋度，為慣容盤的半徑，為慣容盤的慣性矩。

19、作為上述技術方案的進一步改進，所述步驟s3中，通過不動點法得到安裝阻尼器后的最優頻率比以及最優模態阻尼比的解析公式：

20、最優頻率比公式為：，

21、最優模態阻尼比公式為：，

22、其中，，為質量盤與吊桿模態質量的比值，為模態振型在阻尼器安裝位置處歸一化后求得的吊桿的模態質量，為吊桿一階彎曲自振頻率，為阻尼器的設計頻率，是指慣質放大系數與模態質量之比，稱為慣質比。

23、通過采用上述方案，本發明通過“手性超材料（提供負剛度與運動轉換）+?慣容盤（實現慣性放大）+?電渦流（實現高效無接觸耗能）”?的三重協同機制，并結合一套“基于模型與全局優化的精確設計方法”?，成功解決了拱橋吊桿減振中“輕量化、高效性、魯棒性、耐久性”難以兼顧的行業難題，為大跨度拱橋的長壽命安全運營提供了可靠的技術保障。

24、作為上述技術方案的進一步改進，所述步驟s4中，電渦流阻尼單元的最優阻尼系數的計算公式為：

25、。

26、本發明的核心為通過手性超材料螺桿、慣容盤與電渦流阻尼單元的創新性復合，形成了?“機械轉換-慣性放大-高效耗能”?的三重協同減振機制，其工作原理與效果如下：

27、手性超材料單元：實現運動轉換與輕量化的核心。效果：利用其獨特的壓縮-扭轉耦合效應，將質量盤的軸向直線振動高效地轉換為慣容盤的旋轉運動，此效應能在微觀應變下產生宏觀扭轉，為系統提供了負剛度特性，有效拓寬了減振頻帶，這使得裝置在不依賴大質量塊的前提下，即可獲得強大的恢復力，是實現裝置輕量化和小型化的基石。

28、慣容吸振單元：實現慣性放大的關鍵。效果：通過內、外盤結構與球軸承設計，將手性超材料傳遞來的扭轉運動轉化為外盤的高速旋轉。該機構能產生遠大于其物理質量的“表觀質量”，典型情況下可將慣性效應放大10-50倍。這意味著用1kg的物理質量即可產生10-50kg質量的減振效果，從根本上突破了傳統tmd的“質量壁壘”。

29、電渦流阻尼單元：實現持久穩定耗能的保障。效果：質量盤在永磁體磁場中運動，產生電渦流，將振動機械能直接轉化為熱能耗散，此過程為無接觸式耗能，徹底消除了機械摩擦與流體泄漏，實現了真正的免維護和全壽命周期內的性能穩定，其毫秒級的響應速度確保了對寬頻振動能量的高效耗散。

30、三者協同，最終形成一個“低質量、小體積、強魯棒性、高耐久”的復合阻尼系統。

31、與現有技術相比，本發明的優點在于：

32、1、與相比傳統線性tmd，本發明通過手性超材料單元與慣容吸振單元減小了tmd的質量，提高了裝置的緊湊性，拓寬了最優減振參數范圍，提升了魯棒性，表現出了優異抑振能力。

33、2、本發明通過特定結構將手性超材料單元、慣容吸振單元以及電渦流阻尼耗能單元進行復合集成，降低質量以及體積需求，借助電渦流阻尼實現無接觸式能量耗散，二者協同作用形成“低質量、小體積、強魯棒”的復合阻尼系統，實現對吊桿振動高效抑制，顯著降低其動力響應幅值，同時有效降低所需振子物理質量以及裝置體積，提高了裝置的緊湊性，使得結構相對簡單，安裝維護便捷，具有優良的耐久性，適用于各類吊桿截面（h形、矩形、圓形）。

34、3、本發明的電渦流阻尼器無流體泄漏風險、無需定期維護，耐候性與耐久性強；響應速度達毫秒級，可高效耗散寬頻振動能量。