預(yù)應(yīng)力混凝土空心板裂縫分析_ppt

1、預(yù)應(yīng)力混凝土空心板裂縫分析 前言 大跨徑斜拉橋的拉索具有很小的剛度和阻尼，拉索往往具有很低的固有頻率和極低的模態(tài)阻尼比，在外部激勵(lì)下極易發(fā)生意想不到的大幅振動(dòng)。特別是在風(fēng)雨氣候條件下拉索發(fā)生的所謂風(fēng)雨振現(xiàn)象，引發(fā)的振幅最大達(dá)到拉索直徑的34倍，在世界各國的許多大橋上都出現(xiàn)過。目前，拉索的大幅振動(dòng)已成為斜拉橋亟待研究解決的關(guān)鍵問題之一1，2，3。洞庭湖大橋總長 5 747.82 m。主橋?yàn)槿坏雀撸?30 m310 m310 m130 m）的 4跨連續(xù)漂浮體系預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。由于大橋處于洞庭湖與長江接口處的特殊地理環(huán)境，風(fēng)力較大，風(fēng)雨共現(xiàn)時(shí)間長，主導(dǎo)風(fēng)向與橋軸線交角為5090，加之拉索具有

2、的光滑表面，具備發(fā)生風(fēng)雨振的條件。大橋建成通車至今已發(fā)生多次較強(qiáng)烈的風(fēng)雨振，最嚴(yán)重時(shí)單邊振幅超過 40 cm，嚴(yán)重影響了大橋的安全運(yùn)營和拉索的使用壽命，必須采取拉索減振措施。對斜拉索風(fēng)雨振的減振國內(nèi)外有多種減振技術(shù)4，5，8，如采用輔助索、粘性阻尼器、振動(dòng)吸收器、纏繞螺旋狀PVC肋或制造凹坑等多種方法。目前常用的方法是在拉索上安裝阻尼器，利用阻尼器增加拉索的模態(tài)阻尼比，以達(dá)到減振的目的。但這些被動(dòng)阻尼器的最大缺點(diǎn)就是不能隨振動(dòng)大小調(diào)節(jié)阻尼力，有些受環(huán)境條件影響大，難以達(dá)到理想的減振效果。近年來，一種新型智能阻尼器磁流變阻尼器（MagnetoRheological（MR）damper）已開始用于

3、振動(dòng)控制5,6 。應(yīng)用磁流變阻尼器進(jìn)行拉索減振，具有許多優(yōu)點(diǎn)，它既不受環(huán)境溫度的影響，又能夠調(diào)節(jié)輸入電壓，可以使每根拉索處于最優(yōu)阻尼狀態(tài)下工作，取得最佳減振效果。結(jié)合洞庭湖大橋應(yīng)用磁流變阻尼器控制拉索振動(dòng)的多次試驗(yàn)和運(yùn)行效果，簡要介紹試驗(yàn)研究情況及該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。1、磁流變阻尼器的智能減振原理磁流變阻尼器是以智能材料（磁流變體）制成的可調(diào)參數(shù)阻尼器。兩相磁流變體是一種可控液體，它是用不導(dǎo)電的母液和均勻散布在其中的固體磁性顆粒制成的懸浮液。在磁場作用下，磁流變體中的固體顆粒會(huì)形成一束束纖維狀的鏈，橫架于磁場的兩極之間。隨著電壓的增大，磁流變體逐漸由液體變?yōu)榘牍腆w，其剪切屈服應(yīng)力也隨之增大。通過

4、調(diào)節(jié)磁流變阻尼器輸入電壓能夠改變該阻尼器的特性參數(shù)。洞庭湖大橋采用美國LORD公司生產(chǎn)的RD1005型磁流變阻尼器，該磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其阻尼力可表達(dá)為：fc=fysng(xc)Cxc+f0式中：fy為阻尼器模型的屈服力；sgn（）為符號函數(shù)；xc為安裝阻尼器處拉索沿阻尼器方向的運(yùn)動(dòng)速度；C為阻尼器模型的阻尼系數(shù)；f0為阻尼器模型的偏差量。當(dāng)拉索的參數(shù)和外部激勵(lì)改變時(shí)，通過施加給調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的輸入電壓，可以將全橋每根拉索的阻尼力調(diào)到合適的大小，保證每根拉索具有較大的模態(tài)阻尼比。2、拉索振動(dòng)控制試驗(yàn)2.1阻尼器性能評估現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用磁流變阻尼器進(jìn)行拉索振動(dòng)控制，必須充分利用該阻尼器

5、的可變阻尼特性進(jìn)行智能控制，達(dá)到最佳的減振效果。在洞庭湖大橋All、B16、B15拉索上進(jìn)行磁流變阻尼器的可變阻尼特性及振動(dòng)控制能力試驗(yàn)，讓拉索系統(tǒng)在人工激勵(lì)下以某階模態(tài)頻率振動(dòng)，當(dāng)拉索振動(dòng)穩(wěn)定后撤去激勵(lì)使其自由衰減，采用對數(shù)衰減法求得各階模態(tài)阻尼比。因磁流變阻尼器和拉索具有非線性特性，故分析時(shí)統(tǒng)一采用前20s自由振動(dòng)衰減信號，求得系統(tǒng)在該電壓下的等效模態(tài)阻尼比。在All索上安裝了2個(gè)RD1005型磁流變阻尼器，安裝位置為 0.037 L（L為拉索長度），阻尼器夾角均為75。在B15索上只布置1個(gè)磁流變阻尼器，安裝位置為0.02 L，試驗(yàn)布置見圖 2，拉索的參數(shù)見表1。試驗(yàn)時(shí)阻尼器由 1臺(tái)滿量

6、程30 V的直流電源供電，并設(shè)計(jì)安裝了1套激振裝置，該裝置由變頻器、電機(jī)、減速器、偏心輪、脫鉤裝置和力傳感器組成。在拉索上安裝了面內(nèi)、面外加速度傳感器測量振動(dòng)信號，在阻尼器上安裝了位移計(jì)測量阻尼器的位移。信號放大、采集采用東華59355936振動(dòng)測試儀器，并由電腦完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與分析。測量原理為：調(diào)節(jié)施加給阻尼器的電壓到某值，通過變頻器調(diào)節(jié)激振器頻率達(dá)到某階模態(tài)共振頻率附近，使拉索做穩(wěn)態(tài)正弦振動(dòng)，待信號平穩(wěn)后將連接激振器與拉索的鋼絲繩松脫，使拉索做自由衰減振動(dòng)，重復(fù)上述步驟完成不同電壓下前三階模態(tài)的阻尼比測試，每種情況重復(fù)7次，通過擬合方法求得每次的等效模態(tài)阻尼比，再通過算術(shù)平均求得該

7、電壓下的平均等效模態(tài)阻尼比。采用二階模態(tài)頻率激振時(shí)A11索安裝阻尼器前后所得的衰減信號如圖3。從圖中看出在安裝阻尼器后，系統(tǒng)的模態(tài)阻尼比大大提高。圖4（1）給出了拉索All前三階模態(tài)阻尼比隨電壓變化的試驗(yàn)結(jié)果。在無阻尼器情況下，All索的前三階模態(tài)阻尼比分別為0.187、0.182和0.17（有些文獻(xiàn)采用對數(shù)衰減率表示，它等于模態(tài)阻尼比的2倍）。從圖中可看出，當(dāng)阻尼器輸入電壓變化時(shí)，拉索系統(tǒng)的各階模態(tài)能獲得可變的模態(tài)阻尼比，與無阻尼器相比，安裝阻尼器后拉索系統(tǒng)模態(tài)阻尼比增大了36倍；每價(jià)模態(tài)存在一個(gè)優(yōu)化電壓值，在該電壓下，該階模態(tài)阻尼比達(dá)到最大。圖4（2）為B15索前三階模態(tài)阻尼比隨電壓變化的

8、試驗(yàn)結(jié)果。無阻尼器時(shí)B15索的前三階模態(tài)阻尼比分別為0.095、0.071和0.058。安裝阻尼器后，拉索系統(tǒng)的模態(tài)阻尼比有了較大的提高。從該圖還可看出，隨著阻尼器輸入電壓的增大，拉索系統(tǒng)的前三階模態(tài)阻尼比也相應(yīng)增大，并沒有出現(xiàn)A11索那樣的優(yōu)化電壓點(diǎn)，這說明對于B15索，因?yàn)樵摾鬏^長、質(zhì)量大及安裝位置較低，采用單阻尼器不能提供足夠的阻尼力來保證拉索獲得最佳模態(tài)阻尼比。2.2 風(fēng)雨振時(shí)現(xiàn)場觀測試驗(yàn)為了檢驗(yàn)實(shí)際風(fēng)雨振時(shí)磁流變阻尼器的減振效果，在洞庭湖大橋建立了如圖5所示的風(fēng)雨振觀測系統(tǒng)。如在A10、A11、A12等3根拉索上布置了加速度傳感器測量風(fēng)雨振時(shí)拉索的響應(yīng)，加速度傳感器均安裝在拉索距下

9、端 L/6處，A10及 A12索外徑與A11索相同，均為 119 mm，長度分別為 107.662m、121.906 m。其中A11索安裝了 2個(gè)磁流變阻尼器（安裝高度及方式與前述試驗(yàn)相同），用于對比評估磁流變阻尼器的減振效果。2001年5月26日，在陣風(fēng)5級、中等降雨的氣候條件下，該橋發(fā)生了風(fēng)雨振。同時(shí)測得的A10、A11索距下端部L6處的加速度響應(yīng)如圖6（圖中虛線代表A10索，實(shí)線為A11索，A12索的響應(yīng)與A10索基本相同，故從略）。從圖可知，有阻尼器時(shí)的加速度響應(yīng)比無阻尼器時(shí)衰減了2030倍。風(fēng)雨振時(shí)磁流變阻尼器為未施加電壓，由圖4可知，當(dāng)施加電壓為零時(shí)拉索的前三階模態(tài)阻尼比為0.40

10、.5，但未達(dá)到最大的模態(tài)阻尼比。由加速度響應(yīng)得到的功率譜密度如圖7，由圖可見，風(fēng)雨振時(shí)A10索基本以單一模態(tài)振動(dòng)，振動(dòng)頻率為 2.24 Hz，相當(dāng)于拉索的第二階模態(tài)頻率；而對于安裝了阻尼器的A11索，其功率譜密度相對下降了4個(gè)數(shù)量級，并存在多個(gè)振動(dòng)頻率，不再按單一模態(tài)振動(dòng)，這是因?yàn)樽枘崞髟龃罅死飨到y(tǒng)的模態(tài)阻尼比，避免了單一模態(tài)產(chǎn)生共振。3、工程用與效果通過大量的理論和試驗(yàn)研究，證明磁流變阻尼器對斜拉橋拉索振動(dòng)控制具有良好的效果，能夠很好地控制洞庭湖大橋強(qiáng)烈、頻繁的風(fēng)雨振。因此對全橋222根拉索中的156根拉索（除05號索外）全部安裝RD1005型磁流變阻尼器減振系統(tǒng)?，F(xiàn)場試驗(yàn)測得各拉索最優(yōu)減振效果時(shí)磁流變阻尼器的輸入電壓如表2。減振系統(tǒng)采用自動(dòng)控制，平時(shí)系統(tǒng)不供電，這時(shí)磁流變阻尼器起被動(dòng)阻尼器作用，控制拉索的小幅振動(dòng)；當(dāng)風(fēng)力達(dá)到5級以上并伴有中等降雨天氣時(shí)測減振系統(tǒng)自動(dòng)接通電源，磁流變阻尼器在優(yōu)化電壓下工作，控制拉索的大幅振動(dòng)。減振系統(tǒng)安裝后經(jīng)春夏兩季強(qiáng)風(fēng)暴雨共現(xiàn)的檢驗(yàn)，全橋拉索無振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)頻率符合設(shè)計(jì)要求。4、結(jié)論應(yīng)用磁流變阻尼器的可變阻尼特性進(jìn)行拉索風(fēng)雨