钢和CFRP拉索的振型阻尼特性研究

应用非正交粘性阻尼理论和应变能比例阻尼理论,讨论了斜拉索振型阻尼比分布特征,通过与钢索实测值的对比,验证了粘性阻尼理论的适用性。在此基础上进一步比较了钢和CFRP拉索的振型阻尼比以及粘性减振器的阻尼效果。结果表明,由于初张力产生较大的势能,按应变能比例阻尼理论计算得到的拉索面外振型阻尼比不合理,且面内振型的阻尼比分布规律与实测值也不一致。根据实测结果推断得到的钢索粘性阻尼系数大约为10-4kN·s/m―10-3kN·s/m。拉索的垂度比对振型阻尼比影响显著,而倾角的影响不大。CFRP拉索的振型阻尼比大于钢索,且粘性阻尼器的附加阻尼效果较好。     

桥梁拉索用CFRP线材阻尼特性试验研究和理论分析

为获得用于桥梁的CFRP拉索的阻尼特性,用自由衰减振动试验方法测试了CFRP线材(CFRP丝)和高强度钢丝的阻尼值,根据应变能比例阻尼理论分析了其弯曲变形的能量损失系数。通过不同振动频率条件下的测试结果比较了CFRP丝和钢丝的阻尼特性及其与振幅之间的相关性。结果表明,两种材料的振动阻尼均随应变幅值的增加而单调增加,但两者的变化趋势有差异。在同一应变幅值条件下,CFRP丝的实测阻尼值比高强钢丝的小。高强钢丝的能量损失系数与振幅无关,验证了能量损失理论对高强钢丝材料的阻尼计算的适用性。但CFRP丝的能量损失系数实测结果较离散,且与振幅有一定相关性,在特定振幅范围内可采用能量损失理论计算CFRP丝的阻尼。     

一种惯质黏滞阻尼器的性能及其对拉索减振效果的试验研究

该研究制作了一台利用齿轮、齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索阻尼器样机,并开展了详细的拉索减振试验研究。建立了考虑拉索垂度、内阻尼特性、阻尼器齿轮惯质、转动轴惯质与轴承的阻尼特性等因素影响的拉索-阻尼器振动体系,并利用改进的Galerkin方法进行数值分析。详细讨论了该新型阻尼器的自身性能参数、耗能性能及其针对拉索的减振性能。试验结果与数值计算对比分析表明：惯质黏滞阻尼器具有明显的负刚度,由此产生的位移放大效应对拉索减振效果有显著的正面影响。改进的Galerkin方法能够用于惯质黏滞阻尼器-拉索减振系统的分析中,且该算法不依赖于计算初值的选择;数据计算结果与试验结果吻合较好,验证了该研究计算方法的准确性;该惯质黏滞阻尼器对拉索振动具有良好的减振效果。     

双闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼细观分析

研究双闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼特性。基于单层混杂材料的细观力学阻尼计算方法和多胞模型,分别获得单层复合材料的等效阻尼特性和等效弹性特性;基于变分渐进法（VAM)和Hamilton原理,建立双闭室复合材料薄壁梁振动方程;采用Galerkin法对薄壁梁进行自由振动分析;在获得薄壁梁振动模态矢量的基础上,根据最大应变能理论,对薄壁梁的模态阻尼性能进行预测,并且将阻尼预测的结果与现有的有限元计算结果进行对比,验证了本文阻尼分析模型的有效性。进一步针对四种种构型双闭室复合材料薄壁箱形梁,进行阻尼计算,揭示了纤维铺层角和纤维含量的影响。     

大跨度钢索和CFRP索斜拉桥车桥耦合振动研究

以跨度600m～1400m的大跨度斜拉桥为对象,应用考虑拉索侧向振动影响的车桥耦合振动分析方法研究了钢索和CFRP索斜拉桥的交通振动响应,比较了车辆计算模型、行车速度对计算结果的影响,并分析了斜拉桥的动力冲击系数。研究结果表明,大跨度斜拉桥主梁的振动响应以静位移和长周期振动成分为主,拉索局部侧向振动不明显,车辆计算模型对结构振动响应的影响十分有限,行车速度的提高增加了结构的动力系数,两种拉索材料对斜拉桥在车辆荷载下的振动响应影响很小,斜拉桥的动力系数离散性大且与构件类型有关。     

斜拉索面内参数振动的理论和试验研究

研究斜拉索在弦向位移激励下的面内非线性振动方程,该振动方程考虑拉索垂度、倾斜角、大位移、激励幅值、阻尼等影响因素,并应用龙格-库塔数值积分法求解该微分方程。在试验室建立了斜拉索模型,开展斜拉索受弦向位移激励的面内参数振动的试验研究,实现了斜拉索的参数振动。试验研究和数值计算表明斜拉索的参数振动与系统频率比、激励幅值、阻尼等因素有关,参数振动发生在一定的频率比范围内,斜拉索振幅与频率比关系曲线体现出非线性特性,系统阻尼使得斜拉索参数振动的激励幅值要超过一定的阀值。     

附加双线性油阻尼器斜拉索的阻尼特性研究

利用Galerkin法,得到附加双线性油阻尼器拉索的运动方程。通过Runge-Kutta-Felhberg(RKF)方法得到其自由振动衰减曲线,并基于能量损耗原理的方法计算出拉索的模态阻尼。分析了双线性油阻尼器的一次阻尼系数、二次阻尼系数和变换速度对拉索阻尼的影响。提出了基于一个周期内消耗能量相同的线性化等效设计计算方法,并与数值计算分析结果进行比较分析。研究结果表明双线性油阻尼器较线性阻尼器具有其独特的优点。     

拉索局部振动对斜拉桥地震响应的影响研究

拉索作为大跨度斜拉桥的主要承重构件,横向刚度较小,在地震荷载作用下容易发生索-梁和索-塔耦合振动,对斜拉桥的能量分布和阻尼特性产生较大影响,在斜拉桥地震响应计算中有必要考虑拉索的局部振动影响。根据子结构原理和自由度凝聚的方法,在斜拉桥动力特性和地震响应分析中可以考虑拉索的局部振动,并编制了三维有限元程序,对拉索局部振动的影响进行了研究。结果表明,考虑拉索局部振动时,斜拉桥纵向振型的参与系数有不同程度的减小,主梁和桥塔的加速度、位移、弯矩和轴力增大非常显著,短索的纵向位移减小,而长索的纵向位移增大,拉索脉动张力显著增大,拉索位移和张力时程出现拉索局部振动干扰的现象。     

基座阻尼处理减振性能研究

本文采用有限元软件对某型基座阻尼处理前后的振动特性进行模拟计算,计算得到基座阻尼处理前后的特征频率和模态阻尼,采用振动测试系统对有限元计算结果与试验结果进行比对,测量值和计算值吻合度较好,所采用的计算方法可以用来预估阻尼材料的减振效果。     

基于滞变阻尼模型的时域计算方法

复阻尼时域运动方程的自由振动解中包含发散项,导致时域数值计算结果不能稳定收敛。在复阻尼模型的频域运动方程基础上可得到滞变阻尼模型的时域运动方程。针对滞变阻尼模型的特点,依据复平面法和地震加速度的三角级数表达式,该文提出了滞变阻尼模型的时域理论计算方法;假定时间步长内结构的振动响应为简谐振动响应,同时借助于常平均加速度法,提出了滞变阻尼模型的时域数值计算方法。算例分析表明,与复阻尼模型的时域数值计算方法相比,滞变阻尼模型的时域理论计算方法和时域数值计算方法可有效避免时域发散现象;滞变阻尼模型的时域理论计算结果和时域数值计算结果与复阻尼模型的频域计算结果近似相等,进一步证明了该文方法的正确性。     

应用碳纤维索的斜拉桥地震响应分析

以在建的杭州湾跨海大桥北航道桥为对象,采用强度等效的原则将原桥的钢丝索替换成碳纤维索,利用能考虑拉索局部振动的斜拉桥地震响应分析程序,分析比较了同一地震荷载作用下碳纤维索斜拉桥与钢丝索斜拉桥的振动特性及地震响应差异,并探讨了引起差异的根本原因。结果表明:索桥耦合振动是引起两种拉索斜拉桥的振动特性和地震响应存在差异的根本原因,碳纤维索的自振频率高,发生索桥耦合振动的可能性低于钢索斜拉桥,同一地震荷载作用下碳纤维索斜拉桥的地震响应要较钢丝索斜拉桥有不同程度的降低。     

Integrated high-performance thousand-metre scale cable-stayed bridge with hybrid FRP cables

To overcome the limitations of conventional steel stay cables in a thousand-meter scale cable-stayed bridge, hybrid basalt and carbon (B/C) FRP cables were investigated to achieve integrated high performances in the bridge of this scale as a replacement for steel cables. First, the material properties of different cables were discussed, and static and dynamic analyses on the entire bridges with different cables were conducted by means of finite element method. Moreover, the aerodynamic stability of different cables was studied in terms of the Scruton number. Results show that (1) hybrid B/CFRP with a 28% volume proportion of carbon fibres exhibits relatively high stiffness, economical cost, a small sag effect and sufficient fatigue resistance, which was proven suitable for stay cables; (2) based on the stiffness principle, the cable-stayed bridge with hybrid B/CFRP cables exhibits linear L–D behaviour and higher stiffness compared to the bridge with steel cables under the static load, and this advantage would become more apparent with the elongation of span; (3) the hybrid B/CFRP cable processes much higher natural frequencies than steel cables, which could lower the possibility of resonance between stay cables and the bridge deck. Furthermore, the aerodynamic stability of hybrid B/CFRP cables is superior to other cables due to its designable inherent damping.     

CFRP拉索设计对大跨度斜拉桥力学特性的影响

以跨度600m～1400m的桥梁为对象,对碳纤维拉索在不同跨径斜拉桥中的适用性和经济性进行了研究。通过活载作用下的最不利内力和变形、抗风性以及弹塑性稳定性、振动特性等方面的对比,分析了碳纤维拉索在各种大跨度斜拉桥中的适用可能性。研究结果表明:碳纤维拉索的刚度虽然低于钢索,但使用这种材料不影响大跨度斜拉桥的结构设计内力,相反由于拉索使用效率的提高和较高的侧向刚度有利于主梁结构的设计。碳纤维拉索的设计安全系数在2.5～3.5之间可以满足桥梁结构设计的强度和刚度要求。但经济性是影响碳纤维拉索适用于跨度小于1000m斜拉桥的重要因素之一。     

Evaluation of FRP and hybrid FRP cables for super long-span cable-stayed bridges

This paper evaluates the safety factors, the applicable lengths, and relative cost of FRP (fiber reinforced polymer) and hybrid FRP cables that are potentially suitable for cable-stayed bridges with a super long-span of between 1000 m and 10,000 m. Following previous studies on 1000-m scale cable-stayed bridges with FRP cables, two kinds of hybrid FRP cables – the previously discussed hybrid basalt and carbon FRP (B/CFRP) cable and the newly-developed basalt and steel-wire FRP (B/SFRP) cable – as well as conventional steel cable, CFRP cable, and BFRP cable are further investigated focusing on their promise in meeting potential requirements for super long-span bridges. Some major results are as follows: (1) a three-stage model for determining safety factors of cables with different kinds and lengths is proposed; (2) a threshold of λ² is suggested to achieve both high material and stiffness utilization efficiency, based on which the applicable lengths for different kinds of cables were evaluated; and (3) hybrid B/SFRP cables and BFRP cables are comparable in cost to steel cables within a 3000 m span, while hybrid B/CFRP cables and CFRP cables demonstrate a superior performance/cost ratio over a longer span.     

波纹钢腹板组合箱梁应力相关阻尼特性研究

基于应力相关材料阻尼理论,选择波纹钢腹板组合箱梁这一新型钢、混组合桥梁结构,通过波纹钢板和钢筋混凝土的单位体积损耗因子,由能量法推导求得波纹钢腹板组合箱梁的损耗因子公式。结合有限元计算的各个单元的应力得到损耗因子,根据一个振动周期能量耗散相等原理,求得等效阻尼比,并将其与实测结果进行比较。分析结果表明：波纹钢腹板组合箱梁桥材料阻尼值不是一个固定值,它是随着应力水平的提高而增大。在自由振动和车辆荷载激励状态下,波纹钢腹板组合箱梁的等效阻尼比建议取为0.3%。提出的损耗因子公式和等效阻尼比的计算可为波纹钢腹板组合箱梁桥动力分析中阻尼的取值提供参考。     

洞庭湖大桥斜拉索减振试验研究

采用磁流变（MR）阻尼器对我国第一座三塔斜拉桥－湖南岳阳洞庭湖大桥斜拉索的减振问题进行了试验研究。内容包括：（1）设计试验装置；（2）不装阻尼器的斜拉自由振动试验；（3）装有MR阻尼器的斜拉自由振动试验。试验结构表明，安装MR阻尼器可显著提高斜拉索的模态阻尼比。通过模态阻尼比随MR阻尼器外加电压变化的关系，可得出拉索等效模态阻尼比的优化值，为实现拉索的有效减振提供了科学依据。