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橋梁拉索振動減振、監測與評估 版權信息
- ISBN：9787030598257
- 條形碼：9787030598257 ; 978-7-03-059825-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
橋梁拉索振動減振、監測與評估 本書特色
適讀人群 ：橋梁、力學等學科的研究生，相關科技工作者我國已建和在建纜索承重橋梁較多，本書對于相關工作人員具有重要的參考價值。
橋梁拉索振動減振、監測與評估 內容簡介
本書詳細介紹了拉索構件在工程應用中一些關鍵科學問題的近期新研究成果。詳細介紹了橋梁拉索的自振特性，線性化后振動特征方程及一些參數，如垂度、拉索自身抗彎剛度、邊界條件的影響。概述了拉索振動的內在原因和外界激勵研究成果，在此基礎上，詳細介紹拉索的減振方法，尤其是阻尼器和輔助索減振措施的理論和實驗研究成果，并以一座大跨度斜拉橋的拉索減振設計為例總結了上述研究成果。介紹了拉索腐蝕問題的危害性，詳細闡述了拉索的監測和檢測方法，并詳細介紹了腐蝕拉索的承載性能評定方法的近期新研究成果。
橋梁拉索振動減振、監測與評估 目錄
目錄
前言
符號說明
第1章 問題與挑戰 1
參考文獻 4
第2章 拉索-阻尼器減振增效研究 5
2.1 單索動力學方程 7
2.2 拉索-阻尼器系統 10
2.2.1 復特征方程 10
2.2.2 極限解 12
2.3 慣容-阻尼器減振分析 13
2.3.1 復特征方程 13
2.3.2 近似解 14
2.4 負剛度阻尼器減振分析 17
2.4.1 復特征方程 17
2.4.2 近似解 18
參考文獻 21
第3章 拉索-阻尼型輔助索減振系統 22
3.1 彈簧支撐約束-單索系統 22
3.1.1 特征方程 22
3.1.2 近似解 23
3.1.3 極限解 25
3.1.4 振動頻率 27
3.1.5 振動模態 28
3.2 雙索-接地輔助索系統 32
3.2.1 特征方程 32
3.2.2 極限解 33
3.2.3 特例分析 34
3.2.4 參數分析 43
3.3 雙索-阻尼器連接系統 47
3.3.1 復特征方程 47
3.3.2 極限解 47
3.3.3 等參數拉索 50
3.3.4 參數分析 51
3.3.5 雙索非等參數 58
3.4 雙索-接地阻尼器連接系統 63
3.4.1 復特征方程 63
3.4.2 極限解 64
3.4.3 等參數拉索 70
3.4.4 雙索非等參數 76
3.4.5 阻尼參數優化設計方法 81
3.5 模型索網減振試驗 85
參考文獻 93
第4章 拉索混合減振系統 94
4.1 單索-黏滯阻尼器-調諧質量阻尼器系統 94
4.1.1 復特征方程 94
4.1.2 極限解 95
4.1.3 參數分析 99
4.1.4 自由振動模態分析 104
4.2 單索-阻尼器-彈簧系統 107
4.2.1 復特征方程 107
4.2.2 極限解 107
4.2.3 近似解 109
4.2.4 模態演變規律 113
4.3 雙索-索端阻尼器-輔助索系統 115
4.3.1 復特征方程 115
4.3.2 等參數拉索 116
4.3.3 參數分析 121
4.4 模型索網減振試驗驗證 127
4.4.1 試驗概況 127
4.4.2 試驗過程及數據處理方法 128
4.4.3 試驗結果與分析 128
參考文獻 132
第5章 拉索振動與監測數據分析 133
5.1 某大跨斜拉橋健康監測系統 133
5.2 斜拉索監測數據分析 134
5.2.1 加速度時程數據 134
5.2.2 不同天氣環境下拉索動力特性分析 136
5.3 索力變異性分析 142
5.3.1 索力計算 142
5.3.2 索力-索溫的相關性分析 145
5.3.3 索力數據的前期處理 147
5.3.4 索力殘差的隨機過程模型 153
5.4 不同位置拉索索力相關性分析 164
5.4.1 不同位置拉索索力相關性散點圖 164
5.4.2 主成分分析 164
5.4.3 多元線性回歸模型 167
5.4.4 支持向量機模型 168
5.5 拉索阻尼比變異性分析 171
5.5.1 拉索阻尼比的外界影響因素分析 171
5.5.2 拉索阻尼比的統計特性分析 174
參考文獻 178
第6章 拉索承載性能退化與評估 179
6.1 拉索的銹蝕 179
6.2 銹蝕高強鋼絲承載性能 181
6.2.1 應力-應變曲線 181
6.2.2 屈服強度 182
6.2.3 極限強度 183
6.2.4 彈性模量 184
6.2.5 斷后伸長率 185
6.2.6 疲勞壽命 185
6.3 銹蝕高強鋼絲分級 187
6.3.1 國內外銹蝕高強鋼絲分級標準 187
6.3.2 銹蝕高強鋼絲分類標準 188
6.4 銹蝕高強鋼絲的截面特性 189
6.4.1 銹蝕高強鋼絲三維掃描 189
6.4.2 高強鋼絲截面特性 191
6.5 銹蝕高強鋼絲承載力分析 198
6.5.1 名義應力與真實應力 198
6.5.2 附加彎矩與集中應力對高強鋼絲強度的影響 201
6.6 基于隨機場理論的斜拉索承載性能評估 203
6.6.1 隨機過程模擬方法簡介 203
6.6.2 譜表示方法與隨機場的模擬 203
6.6.3 某舊橋銹蝕拉索概況 207
6.6.4 高強鋼絲強度分布的相關性 209
6.6.5 高強鋼絲強度分布的隨機場模型 210
6.6.6 基于隨機場的拉索剩余強度評估 214
參考文獻 215
附錄A 特征方程推導過程說明 217
A.1 基本假定 217
A.2 拉索參數 217
A.3 推導過程 217
附錄B 其他公式 223
彩圖
前言
符號說明
第1章 問題與挑戰 1
參考文獻 4
第2章 拉索-阻尼器減振增效研究 5
2.1 單索動力學方程 7
2.2 拉索-阻尼器系統 10
2.2.1 復特征方程 10
2.2.2 極限解 12
2.3 慣容-阻尼器減振分析 13
2.3.1 復特征方程 13
2.3.2 近似解 14
2.4 負剛度阻尼器減振分析 17
2.4.1 復特征方程 17
2.4.2 近似解 18
參考文獻 21
第3章 拉索-阻尼型輔助索減振系統 22
3.1 彈簧支撐約束-單索系統 22
3.1.1 特征方程 22
3.1.2 近似解 23
3.1.3 極限解 25
3.1.4 振動頻率 27
3.1.5 振動模態 28
3.2 雙索-接地輔助索系統 32
3.2.1 特征方程 32
3.2.2 極限解 33
3.2.3 特例分析 34
3.2.4 參數分析 43
3.3 雙索-阻尼器連接系統 47
3.3.1 復特征方程 47
3.3.2 極限解 47
3.3.3 等參數拉索 50
3.3.4 參數分析 51
3.3.5 雙索非等參數 58
3.4 雙索-接地阻尼器連接系統 63
3.4.1 復特征方程 63
3.4.2 極限解 64
3.4.3 等參數拉索 70
3.4.4 雙索非等參數 76
3.4.5 阻尼參數優化設計方法 81
3.5 模型索網減振試驗 85
參考文獻 93
第4章 拉索混合減振系統 94
4.1 單索-黏滯阻尼器-調諧質量阻尼器系統 94
4.1.1 復特征方程 94
4.1.2 極限解 95
4.1.3 參數分析 99
4.1.4 自由振動模態分析 104
4.2 單索-阻尼器-彈簧系統 107
4.2.1 復特征方程 107
4.2.2 極限解 107
4.2.3 近似解 109
4.2.4 模態演變規律 113
4.3 雙索-索端阻尼器-輔助索系統 115
4.3.1 復特征方程 115
4.3.2 等參數拉索 116
4.3.3 參數分析 121
4.4 模型索網減振試驗驗證 127
4.4.1 試驗概況 127
4.4.2 試驗過程及數據處理方法 128
4.4.3 試驗結果與分析 128
參考文獻 132
第5章 拉索振動與監測數據分析 133
5.1 某大跨斜拉橋健康監測系統 133
5.2 斜拉索監測數據分析 134
5.2.1 加速度時程數據 134
5.2.2 不同天氣環境下拉索動力特性分析 136
5.3 索力變異性分析 142
5.3.1 索力計算 142
5.3.2 索力-索溫的相關性分析 145
5.3.3 索力數據的前期處理 147
5.3.4 索力殘差的隨機過程模型 153
5.4 不同位置拉索索力相關性分析 164
5.4.1 不同位置拉索索力相關性散點圖 164
5.4.2 主成分分析 164
5.4.3 多元線性回歸模型 167
5.4.4 支持向量機模型 168
5.5 拉索阻尼比變異性分析 171
5.5.1 拉索阻尼比的外界影響因素分析 171
5.5.2 拉索阻尼比的統計特性分析 174
參考文獻 178
第6章 拉索承載性能退化與評估 179
6.1 拉索的銹蝕 179
6.2 銹蝕高強鋼絲承載性能 181
6.2.1 應力-應變曲線 181
6.2.2 屈服強度 182
6.2.3 極限強度 183
6.2.4 彈性模量 184
6.2.5 斷后伸長率 185
6.2.6 疲勞壽命 185
6.3 銹蝕高強鋼絲分級 187
6.3.1 國內外銹蝕高強鋼絲分級標準 187
6.3.2 銹蝕高強鋼絲分類標準 188
6.4 銹蝕高強鋼絲的截面特性 189
6.4.1 銹蝕高強鋼絲三維掃描 189
6.4.2 高強鋼絲截面特性 191
6.5 銹蝕高強鋼絲承載力分析 198
6.5.1 名義應力與真實應力 198
6.5.2 附加彎矩與集中應力對高強鋼絲強度的影響 201
6.6 基于隨機場理論的斜拉索承載性能評估 203
6.6.1 隨機過程模擬方法簡介 203
6.6.2 譜表示方法與隨機場的模擬 203
6.6.3 某舊橋銹蝕拉索概況 207
6.6.4 高強鋼絲強度分布的相關性 209
6.6.5 高強鋼絲強度分布的隨機場模型 210
6.6.6 基于隨機場的拉索剩余強度評估 214
參考文獻 215
附錄A 特征方程推導過程說明 217
A.1 基本假定 217
A.2 拉索參數 217
A.3 推導過程 217
附錄B 其他公式 223
彩圖
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橋梁拉索振動減振、監測與評估 節選
第1章 問題與挑戰 拉索是大跨纜索承重橋梁的主要承力構件，懸索橋的吊桿、斜拉橋的斜拉索、中下承式拱橋的吊桿及系桿都可以認為是拉索構件，是內部由數十至數百根高強鋼絲、外部由高密度聚乙烯（HDPE）護套包裹防護的接近于直線線型的細長構件。懸索橋的主纜也是由高強鋼絲所組成，雖然主纜和拉索都由高強鋼絲組成且控制兩者力學行為的數學物理方程相近，但主纜內部高強鋼絲數量（可達上萬根）、外層防護（密封膏 + 鋼絲纏繞等）、幾何外形（接近于拋物線的懸鏈線方程）與上述拉索的定義有顯著的不同，本書中不包含主纜相關研究內容。 我國對大跨纜索承重橋梁建設的探索始于20世紀中期，80年代末90年代初上海南浦大橋和楊浦大橋的建設標志著我國大跨纜索承重橋梁建設技術的重大突破。隨著經濟的發展，我國橋梁工程建設方興未艾：截至2019年12月，全球已建成158座主跨超過400m的斜拉橋，我國擁有97座，超過六成；而全球主跨長度排名前10位的斜拉橋中，我國占據其中7席；主跨超過600m的斜拉橋，全球僅有37座，其中31座位于我國；全球在建及擬建的主跨400m以上的斜拉橋約有60余座，其中超過70%在我國；世界上跨徑超過300m的拱橋共有73座，其中我國有43座；主跨長度500m及以上的懸索橋共有107座，其中我國有47座。這些大跨纜索承重橋梁的拉索構件，細長且質量輕、阻尼極低，極易在外界環境激勵作用下產生各種形式的振動。典型的振動如拉索的風雨振動，涉及固-液-氣的相互作用，目前其振動機理尚未有定論，拉索的振動減振等問題未得到妥善的解決。拉索的HDPE護套因為施工不善和運營期的振動易使其破損導致防護失效，同時也會使拉索在錨固端點附近產生彎曲疲勞應力。防護失效使水汽等腐蝕性介質進入拉索內部與高強鋼絲接觸導致高強鋼絲腐蝕，而恒載應力和疲勞應力的存在使高強鋼絲發生耦合的應力-腐蝕和腐蝕-疲勞，*終導致高強鋼絲有效面積減小，承載性能退化。由于拉索的失效導致大跨纜索承重橋梁垮塌等惡性事故時有發生。目前工程中只能規定拉索的使用壽命顯著低于橋梁設計使用壽命：國內拉索構件的預期使用壽命僅為20年，而國外對于拉索構件的預期使用壽命僅為30年，均遠低于橋梁100～120年的設計使用壽命。因此，亟待厘清并解決以下主要問題。 （1）拉索在服役環境激勵作用下的振動機理 拉索的風致振動，尤其是風雨振動的振動機理研究（圖1.1）在*近20多年來取得了一定的進展。目前對于水線的生成、振動形態有了更深的認知，發展的數值模擬方法可在一定程度上闡述和再現一些風雨振動的現象，但是對于其具體的驅動機理和耦合機制仍然不清楚，尤其是對于風雨振動的多階模態耦合和隨機性等尚不能很好地闡述。對于其他振動如高階渦振、參數振動等仍有待進一步研究。 圖1.1 拉索風雨振動試驗模型[1] （2）拉索阻尼減振增效和混合減振技術 雖然主動和半主動減振技術在20世紀末期至21世紀初期得到了廣泛的關注，但工程實踐表明被動減振技術仍然是*為可靠、*為廣泛應用的減振技術。*近10年來負剛度及慣容阻尼減振增效技術引起了科技人員的廣泛關注，理論和實驗研究均表明其可以有效提升阻尼，但是仍有待實際工程應用證明其工程可行性。對于超長拉索而言，已有工程案例表明僅采用阻尼器難以取得滿意的減振效果。蘇通大橋曾發生因拉索振幅過大導致阻尼器連接件被破壞的事故（圖1.2）。因此，輔助索和阻尼器的混合減振技術可能是不得不采用的技術（圖1.3），并極有可能成為以后的發展方向。 圖1.2 蘇通大橋阻尼器連接件失效[2] 圖1.3 蘇通大橋混合減振措施（圖片由同濟大學陳林研究員提供） （3）高強鋼絲的應力-腐蝕和腐蝕-疲勞機理及其力學性能退化規律 高強鋼絲處于服役高應力狀態，同時又受到汽車等活載產生的疲勞應力作用，如HDPE護套破損使得一些腐蝕性介質滲入并接觸鋼絲，現有研究表明應力-腐蝕、腐蝕-疲勞均會產生耦合作用，導致接觸腐蝕性介質的高強鋼絲力學性能嚴重退化（圖1.4）。高強鋼絲的應力-腐蝕和腐蝕-疲勞的影響因素得到了廣泛的關注和研究，然而其機理涉及多尺度、多場相互作用，尚有待深入分析。近年來的研究開始側重于從鋼絲材料到鋼絲力學性能再到拉索承載性能退化的多尺度、多因素的全面定量分析，但其力學性能退化規律尚未有定論。 圖1.4 拉索內高強鋼絲銹蝕[3] （4）損傷拉索的承載性能退化規律及其破壞機制 腐蝕的隨機性導致拉索構件的檢測和性能評估問題非常突出。*近20多年來隨著大跨纜索承重橋梁拉索損傷導致橋梁垮塌等問題的大量出現（圖1.5），該方面的研究文獻也日漸增多，然而對于損傷拉索承載性能的退化規律及其破壞機制尚未有定論。 圖1.5 大跨纜索承重橋梁垮塌案例 需要指出的是，上述問題的解決需要土木工程、材料工程、工程力學等多學科、多行業的研究人員共同參與。本書作者在求學期間有幸參與了我國當時*長的兩座公路斜拉橋—蘇通大橋和香港昂船洲大橋斜拉索的減振咨詢研究工作，到深圳大學工作后又得到了國家自然科學基金委員會等機構的支持進行了拉索構件的振動、減振、監測和性能退化等研究。本書綜合了作者10余年來針對上述部分問題的研究成果，可供相關科研工作者及大跨纜索承重橋梁工程建設者參考。 參考文獻 [1] Zhan S，Xu Y L，Zhou H J，et al. Experimental study of wind-rain-induced cable vibration using a new model setup scheme[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96（12）：2438-2451. [2] Chang Y，Zhao L，Ge Y. Experimental investigation on mechanism and mitigation of rain-wind-induced vibration of stay cables[J]. Journal of Fluids and Structures，2019，88：257-274. [3] 北京中交橋宇科技有限公司. 重慶市李家沱長江大橋N17、S15號斜拉索更換施工監控及舊索檢測工程舊斜拉索檢測報告[R]. 2013. [4] 佚名. 福建武夷山公館大橋垮塌[Z/OL]. 2017-07-15. [5] 臺灣運輸安全調查委員會. 南方澳大橋斷裂重大公路事故調查報告[R]. 2020. 第2章 拉索-阻尼器減振增效研究 斜拉索的阻尼器因安裝支架和方便維護的要求一般安裝在拉索下錨固端附近。因拉索在錨固端附近振動幅值較小，阻尼器的耗能位移行程有限，從而限制了其減振效果。阻尼器工作時由于裝置內部活塞桿壓縮液體或氣體表現出一定的彈性恢復力成分，該彈性恢復力成分在阻尼器的精細化模型中可用彈簧剛度模擬。實索減振試驗研究表明阻尼器剛度會約束并減小拉索在阻尼器處的位移行程，從而減小拉索所能獲得的*大模態阻尼比。 正剛度是任何物質或結構的固有特性之一，正剛度恢復力總是指向平衡點，即克服外力偏離作用將結構或裝置拉回平衡位置。與之相反，負剛度恢復力總是背離平衡位置。由此可知負剛度系統是不穩定的，自然界存在的天然物質或結構都表現出正剛度特性，只有在特殊情況下才會出現負剛度。如圖2.1所示為一種特殊設計的負剛度黏滯阻尼器，兩邊預壓的彈簧在阻尼器偏離平衡位置后提供偏離平衡位置的反力。 已有研究表明阻尼器正剛度可以減小拉索在阻尼器處的振動位移，因而可以減小拉索所能獲得的*大模態阻尼比[1， 2]；反之負剛度可以增大拉索在阻尼器處的振動位移，因此負剛度阻尼器也可以提升拉索所能獲得的*大模態阻尼比。文獻[1]和[2]雖然沒有直接指出剛度為負值，但相關理論公式完全可用于負剛度的工況（取剛度為負即可）。 圖2.1 負剛度黏滯阻尼器模型（裝置由University of Windsor的Shaohong Cheng教授提供） 圖2.2顯示了不同剛度和線性黏滯阻尼器并聯復合時的力-位移滯回關系特征，當剛度小于零時，力-位移滯回環向右下傾斜；當剛度為零時，力-位移滯回環為橢圓；當剛度大于零時，力-位移滯回環向右上傾斜。 圖2.2 不同剛度的力-位移滯回環 可見減振裝置若能有效放大拉索在阻尼器處的振動位移，該裝置即有可能提升阻尼器的減振效果。增大拉索在阻尼器安裝點振動位移的實現途徑可以是負剛度，也可以是集中質量等，但具有負剛度和集中質量的拉索難以達到靜力狀態下的平衡條件，必須通過特殊設計的裝置實現。 劍橋大學的Smith教授首先提出了慣容（inerter，也稱慣質）的概念[3， 4]，并將具有類似動力特性的裝置稱為慣容器，理想慣容器產生的作用力與其兩端的相對加速度成一定的比例。自慣容器概念提出至今，已出現多種形式的慣容器裝置。根據慣容器實現形式的不同，可以分為機械型慣容器和流體型慣容器兩大類，其中屬于機械型慣容器的滾珠絲桿型慣容器是國內外學者關注*多的慣容器形式。圖2.3是滾珠絲桿型慣容器的實物圖和原理圖，該慣容器利用滾珠螺母將滾珠絲桿的直線位移轉換為旋轉運動，連帶固定在旋轉部件上的質量構件一起高速旋轉，
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