形状记忆合金辅助索—拉索系统的若干基本问题研究

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拉索是斜拉桥的主要受力构件,其作用是将主梁自重以及桥面上人行、汽车等恒活荷载传至桥塔上。由于拉索质量和刚度小,且阻尼极小,在风、雨等外界荷载作用下极易产生各种振动。拉索的大幅振动会造成行人及司机的不安,且长时间的大幅振动可能会导致拉索防护套的破坏和水汽的渗入。腐蚀介质的渗入将导致拉索内部高强钢丝的腐蚀及腐蚀疲劳问题,严重地缩短拉索的预期使用寿命。为了抑制拉索的振动,通常采用气动措施、辅助索、阻尼器等措施。在实际工程中往往混合使用这几种措施来达到较好的减振效果。形状记忆合金(Shape Memoery Alloy,简称SMA)丝具有超弹性能,能有效地耗散振动能量。因此它兼有辅助索和阻尼器两种功效,在斜拉索的减振应用上具有良好的潜力。然而,SMA材料在斜拉索减振上的应用尚未成熟,对于SMA辅助索-单索系统的减振效果及温度效应等尚需进一步深入试验研究。附加SMA辅助索-斜拉索系统以及附加阻尼器-索网系统的减振机理和优化设计方法也尚未完全建立。。本文首先基于前人对并联弹簧-阻尼器-垂度拉索系统的理论研究和附加单根接地预张拉SMA丝-单索(3.2m短索)模型系统自由振动试验、SMA丝力学性能试验的相关试验数据,研究了线性化公式对预估该系统低阶振动频率及模态阻尼比的情况。其次,进行了单索(15.15m长索)模型和附加单根接地预张拉SMA丝-单索(15.15m长索)模型的自由振动试验,重点研究了试验温度的变化对该系统平面内一、二阶振动频率和模态阻尼比的影响。数据处理时采用MATLAB中的SPTool工具箱设计FIR滤波器,通过FIR滤波器对试验中获得位移时程曲线进行滤波,从滤波后的数据中获得对数衰减值和系统的自振频率。同时,在此试验的基础上研究了附加在模型拉索上的预张拉SMA丝应变值随时间推移的改变情况及其对系统减振效果的影响。最后,建立了附加阻尼器-双索系统模型,为简化起见,在该索网系统研究中暂不考虑拉索抗弯刚度的影响,把拉索简化成一根张紧弦。采用分离变量法推导出了附加阻尼器-双索系统的复模态特征方程,并分析了相关极限解,研究了两根拉索的质量-张力比、频率比、长度比以及阻尼器的安装位置对系统的前四阶振动模态类型、模态演化、振动频率以及模态阻尼比的影响,同时还讨论了无量纲阻尼系数的改变对系统模态振型的影响。
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