（土木工程专业论文）采用形状记忆合金的斜拉索振动控制试验研究.pdf

摘要 瓣拽辑由于经济美戏在世界各拖，“泛建造。转尧载擅耩主要承募秘箨的籍拉索，出予箕 质量轻、柔度大、阻尼低极易在外界激励下产生各种畿型的振动。 形状记忆合金是一种新型的功能材斟，具有形状记忆效应、变弹性模餐特性和超弹性的 特性。妇予形状记忆台愈的这些显著特性，s m a 在结梅摆动控制的应耀研究中正受到藏寒 越多静关注。 s m a 在高温奥氏体状态的弹性摸墩与低温马氏体状杰相比有很大幅度的提高，本文利 用s m a 的这种变弹性模最的特性，提出了将它与拉索轴向连接进行拉索振动控制的方法， 并进行了探索性的试验研究。 奉文蓠先瑟理戆接露l 策略下的拉索振动控裁骰了理论分析，表鞠其霄程好的减羰效聚， 并针对爨际情况提出了通过周期切换s m a 状态给拉索不断施加扰动的方式进行制振的实际 控制策略。 然聪对用于试验的s m a 进行了性能试验，着重针对了以下凡个穗题；( 1 ) 探讨了s m a 鞠交滋纛煮在矫痘力终掰下鹃的交耗；试验表蹬在应力越过一定蓬后，嶷氏箨裰交开始帮结 束温鹰点即4 、ar 有摄蒋提高。( 2 ) 研究了在不同状态下s m a 的弹性模量变化。试骏表 明奥氏体弹性模量约是马氏体弹性模量的两倍。( 3 ) 讨埝了s m a 在不同相态的阻尼耗熊性 能的优劣。 最麓，在试验室耋张经了1 】。7 米长鹃模型拉索，翻用承冷一承熟方式对s m a 琏进行鞠 热冷却。试验采用了q ) 3 m m 和中l m m 两种不同直径的s m a 丝。在初始索力下，q ) 3 m m 丝 处于弹性状态，而ol m m 丝处于大应炎状态。试验采_ l 察际控制策略，对分别连接这两种 丝的拉索在不同控制周期下酶一阶自出振动做了研究。试验结果表明： ( 1 ) s m a 在舆爱落软态每强氏俸鼗态臻换孵，拉素素力蒋肖锈显妁变化。连接 击3 r n ms m a 的拉索索力变化大小与理论值吻合很好，而连接o1 n f f l l l 的索力 变化与之相变却要小的多。 ( 2 ) 对连接书3 m ms m a 丝的拽索，控制效果随羞控囊4 餍期的减小丽提高，啦总 静来讲，与来拧翻请撬耀眈，控毫效莱= 箨不疆曼。 ( 3 ) 水冷一水热方式对s m a 加热冷却的速艘令人满意。 论文最后总结了本文的工作，并列尉续研究作了展翅。 【关键溺】形状记， 会金( s 醚a ) ，斜拉索半主动控制，试验醋究 a b s t r a c t e c o n o m i ca d v a n t a g e sa n ds p e c t a c u l a ra e s t h e t i cq u a l i t i e sm a k ec a b l e s t a y e db r i d g e s c o n s t r u c t e dw o r l d w i d ea st h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t so f s t a y e db r i d g e s ，s t a yc a b l e sa r ev e r y s e n s i t i v et ov i b r a t i o n s ，f o rt h e i rs m a l lm a s s ，l o wd a m p i n ga n ds l e n d e r n e s s s h a p em e m o r ya l l o y s ( s m a ) i s ak i n do f f u n c t i o n a lm a t e r i a lw i t hs p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c h a ss h a p em e m o r ye f f e c t ，v a r i a b l es t i f f n e s sa n dp s e u d o e l a s t i c i r y d u et ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，s m a h a sb e c o m eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n tm a t e r i a l si ns t r u c t u r ec o n t r o l s m ai si na u s t e n i t ea th i 【g ht e m p e r a t u r ea n di nm a r t e n s j t ea tl o wt e m p e r a t u r e a u s t e n i t i c y o u n g sm o u d | u so f s m a i sm u c hl a r g c rt h a nm a n e n s i f i eo n e i nt h i sp a p e r , e x p l o r a t o r yr e s e a r c h i sc a r r i e do n t h ec a b l ev i b r a t i o nc o n t r o l u t i l i z i n g t h ev a r i a b l es t i f f n e s so f s m a ，w h i c h i sc o n n e c t e d w i t i lc a b l ed i r e c t l y f k s t , t h e o r e t i c a la n a l y s i si sm a d eo nt h ei d e a lc o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h ea n a l y s i ss h o w sag o o d e f f e c t i v e n e s s ，a n o t h e rc o n t r o ls t r a t e g yf o rp r a c t i c ei sp u tf o r w a r d ，w h i c hg i v e st h ev i b r a t i n gc a b l e s o m ep e r t u r b a t i o np e r i o d i c a l l yb yc h a n g i n gt e m p e m t u r ao f s m a p e r i o d i c a l l y t h e n ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni sa p p l i e do ns o m ei m p o r t a n tp r o p e r t i e so fs m a ：( 1 ) i n v e s t i g a t i o ni sf o c u s e d o l lt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n dt r a n s f o n n a t i o i lt e i l l p e p a t a r e s , s h o w i n gt h a ta u s t e n i t es t a r tt p e a 妇e 蠢da u s t e n i t 。f i n i s hl w a t u r e 专w i l li n c r e a s e d r a m a t i c a l l ya ss e s ss u r p a s s e ss o m ep o i n t ；( 2 ) y o u n g sm o d u l u so f s m a a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e i ss t u d i e d ，a n di ti sc o n c l u d e dt h a ta u s t e n l t i cy o u n g sm o u d l u so fs m ai sa b o u tt w ot i m e sl a r g e r t h a n m a r t e u s i t i c o n e ；( 3 ) t h e d a m p i n g b e h a v i o r o f s m a i n d i f f e r e n t p h a s e i s d i s c u s s e d a n d 继l a s t ，am o d e lc a b l eo ft1 7 i l e t e r si nl o n gi ss e tu pf o re x p e r i m e n t , a n de q u i p m e n to f w a t e r - h e a t i n g c o o l i n gt oh e a tu po rc o o ld o w ns v i ar a p i d l yi sd e s i g n e d s m ar i b b o n so f 吐 3 m m a n d 中l m ma r eu s e df o rc o m p a r i s o n s m ao f0 3 m mk e e p si ne l a s t i c i t yi ne x p e r i m e n t a n d s m ao f 巾i m mi s 讯t h es t a t eo f l a r g es w a i nw h e ns n b j e c t e dt ot h ei n i t i a lt e n s i o n i nt h ep r a c t i c a l c o n t r o ls t r a t e g y , t h e f i r s t - o r d e r f l e e v i b r a t i o n o f c a b l e i ss t u d i e d f o r v a r i o u sc o n t r o l p e r i o d a n d t w o t y p e so f s m a ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s ： f 1 ) t h ec a b l et e n s i o ni sd i 髓r e n tw h e ns m ai na u s t e n i t eo ri nm a r s t e n s i t e f o rt h ec a b l e c o n n e c t e dt os m ao f0 3 m m ，t h ee x p e r i r a e n t a lv a l u eo f d i f f e r e n c eo f c a b l et e n s i o ni s a l m o s tt h es a m ea st h et h e e r e t i c a lo n e ( 2 ) f o rt h ec a b l ew i t h 中3 r a ms m a ，t h ec o n t r o le f f e c t i v e n e s si sb e t t e rf o ras h o r t e rc o n t r o l p e r i o d h o w e r v e r , b e i n gc o m p a r e dw i t ht h a tw i t h o u ts m a ，t h ec o n t r o le f f e c t i v e n e s si s s t i l la n s a t i s f a c t o r y ( 3 ) t h ee f f e c t i v e n e s so f w a t e r - h e a l i n g c o o l i n gt oh e a tu po rc o o ld o w ns m ai ss a t i s f y i n g f i n a l l y ，t h ec o n t e n to ft h ep a p e ri ss u m m a r i z e d ，t h es u g g e s t i o nf o r f u t u r er e s e a r c hi s p r e s e n t e d k e y w o r d ：s h a p em e m o r ya l l o y ( s m a ) ，s t a yc a b l e sv i b r a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , s e m i a c t i v e c e n t r e i 学位论文版权使用授权书 本 人完全了辫同济大学关予收集、保存、使用学位论文的撬定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 奉；学校有蔽保存学链论文鹣印鼷本稻惫予叛，并采滔影印、臻印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供i i i t 泶检索以及提供 本学位论文全文或卷部分的阕甍强务；学校套投按有关巍定自国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以遮当复制论文的部分或全部内容赐于学术活动。 学位论文俸者签塞：吕瞄泛 一。j 年彩月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在1 年解密后邋用 本授权书。 措导教师签名加剀能户位论文作者签名：吕疏孑 枷罗年, p nl 目 妒。年留月 日 同济大学学位论文原创性声明 本入郑重声髑：所呈交的学位论文，怒本入在导卿指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 翡疆究成票不包含任秘毽入剁俸静、己公开发表或者浚有公开发袭静 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均薯在文中以哽确方式标嬲。本学位论文原剖毽声舞戆法律爨任 由本人承担。 签名：黟国务知 咿丫月 日 第一章绪论 1 1 披索振动控制研究的登要性 斜挝桥由于结构台蠼，跨越能力大，用材指标低和外形美观，这种桥型发展迅速。我斛 叠 9 7 5 年在鲤j i l 云阳黪建第痊斜控橙以来，在季到3 0 每瓣对闫里已建戒各手孛类型簸拉麟 1 0 0 多瘫，菇中跨径大，2 0 0 m 的青5 2 庶，跨径超过4 0 0 m 豹旁2 0 座，其中i 7 座已鲶建成 通车【ij 。就举上海市来讲，】9 9 1 年建成主踌4 2 3 米的南浦大桥，1 9 9 3 年1 0 月建成主跨为6 0 2 米的杨浦大桥，主跨为5 9 0 米的徐浦犬桥又于1 9 9 6 年8 月合拢口j 。三鹰大桥均采用斜拽桥 轿型。勰撞轿与悬索攒一起已成为大跨麟摇的黄选方鬃。 壶予斜拉挢的轿跨缝构重量葙活载犬帮分通过赫控索传递至g 塔桂，搜索成必籀挣褥搬其 重要的组成部分。但随着拉索的增长，由于具有较小的展燕和极低的阻尼，拉索容易发生备 种振动。 1 9 9 2 年夏，建成殿的南浦大轿在一次风雨交加的悔况下，清西岸惩部数根拉索突然发 生了较大驰振囊，； 嚣入 j 靛注意。强滚大褥子建畿舞豹1 9 9 4 、1 9 9 5 蘧年溺先螽三次鲻控 索减振脱落而修改重装，并且有一次大桥两端发生2 9 母、3 0 号拉索振幼相碰的情况。为此 于1 9 9 5 年夏天重新设计和安装更换了桥面一端的所有减振阻尼装置”l 。 据搬道，德国已有多座斜拉辑主要因为拉索振动引起拉索部分钢丝疲劳破坏，不得不更 换拉索。鲡k o h t b r a n de s t u a r y 辑建藏螽3 年裁因为控紫锈镪严重，更歉了垒蕺拉索，穗变 6 0 0 0 万夔元，为全轿藏造价的4 倍。蚤内瑞拉m a r a e a i b o 桥建成1 6 年精因为拉索锚圈端严 重锈蚀即更换拉索，耗骚5 0 0 0 万美元，历时2 年之久。 斜拽索的振动特别魁风雨振引起的大幅振动容易引起索的疲劳。在索锚结台处产生疲劳 裂纹，破坏索的防腐蚀裂绫，严重戆还会涟戒索魏失效。素蕊振魂还会 起裁黍a 费数不簦 适帮对轿韵安全性产生t 海疑。并且辩控榜的换索工程 # 常困难，虽耗资飘犬，因此，大踌发 斜拉索的风致振动特别时风雨振及其控制已引起国内外桥梁工程界的极大关注，也成为近十 年来的研究热点。 从，十年代裁有各藤的学者对辑鬃静控索振动进行了研究，荠提建7 备静不同戆搬动规 理，并麓于不丽静瓿理糖出了不嗣麴制镞措施。但至令辩斜拉索曲振动祝理并未完全清楚， 拉索的搬动是一种综台现象，它不光与风雨作用引起拉索表面的气动特性有关，还与结构的 整体特性有关。拉索振动实际是多种机理共同作用，并由菜一机理起主肆作用的一种混合性 的振动现襞。拉索振动一般蠢班下几种：涡激振动。尾流驰振，风雨激掇，辩振，参数援渤。 关予藏索备季孛摄蘑豹黪点帮撬理蒋存+ f 一章详蠲赍缨。 1 2 搜索振动控制方法 鼹然到目前为止，对斜拉索在一定情况下大幅搬动的机理还不蕊明了。坦基于i 。挥 实践的鬟骥，在实舔设诗审己溪瑁了各秘方法对控索的掇动进露了控制。强羲采羯瓣控囊l 主 要有气动减振措施、醚怒器减振措施、辅助索减振措施、主动与半主动控制方法。 1 2 1 气动减振措施 从空气动力学来考虑，如果能够破环日l 起藤振舱f 水踌形成，就町达到防l 雨振的辩的。 基于这方蠢鹣考虑，秘奉霹其它国家弱学蠢誊皤竞过抗菇蕊振的裁拉索。 抗风雨振斜持索的棼本思路是在光滑的p e 管表面上增加凸起或设鬻沟槽阻止托索r 表面水路形成，从而在掇本上抑制斜拉囊两振的现象1 3 。风涧试验结果袭明，当拉索的光港 裹瑶磺麓鼹起或设萋淘疆螽拉索鬲影黢上末舞，这襻靛麓寿效追捧正强最作焉下静蕊鞭。 气动减振措施维修保养简便，费用较低，是积极主动而又经济台理的途径；然而其减振 机理的空气动力学解释却是十分困难的谦题，各种减振方案的提出和细节设计都需要试城验 证，以避免产生其他气幼不稳定现象。圜外应用浚方法的有法国诺曼底( n o r m a n d y ) 桥， 基本豹客毒孛户( h i g a s b ik o a e ) 辑、弓剿( y u g e ) 辑投爹多罗( t a t a r a ) 舔等；重蠹应t f l 的 有南京长江二桥等。 1 2 2 阻尼器减振措施 各种外界因素对挝索的激励过程是拉索振动能量淫渐积聚的过程。因此可以在拉索的 适当郝链( 逶霉是在控豢缝霆囊漆近) 囊装备耱形式的黼惩器，逶过撬悲控索兹搂态隧髭来 耗散拉索的振动能曩。 阻尼器是一种“广谱的”减振措施，对各种拉索振动都有良好的减搬效果，因此得到了 较为广涎的应用”j 。根据阻尼材料的不同。拉索阻尼器w 分为高阻尼橡胶阻尼器、油阻尼器、 糖挂赘甥整阻踅器、磁力疆尼器窝摩壤整阻尼器等。 斜拉素采用阻尼器抗振的方式曾在墩羿上多座籍控轿上使用过，如我国南京第二长江夫 桥、法国勃鲁东桥等，但南京第二长江大桥的拉索上还缎上了螺旋筋，其中油压阻尼器和粘 性橡胶阻尼器使用撮多。日本园岛大桥缚使用了油压阻尼器，其它桥梁使用了橡胶阻尼器娥 两者结岔的混合型阻尼嚣， 1 2 3 辕动索减振撩施 出于上述拉索被动减振阻尼器对于长索的振动控制仍受到限制，不少结构工程师提倡用 辅助索方法。这种方法的主要手段是将备主要拉索相互琏接，这样带来的好处是： ( 1 ) 撵赛了拉索体系照体的s 度； 犯) 提高了拉素各除搌堑的广义斌鬣； ( 3 ) 增加了拉索的机械阻尼和气动阻尼； ( 4 ) 拉索振动时各横态间相互耦合。 尽篱辅助索方法有鲥照多鲍优点，然两它在实蓬；工程中的应用并不怒壤普遍，萁主要蒙 匿是：蓠先，辘动素缝鞫较复杂，其释髑赣梳理玛没鸯确切的定论，西戴没有比较完善瓣设 计理论，设计、藏工中只能依照经验，i 妇此发生了不少断索事故；其次，辅助索破坏了原有 拉索系统独有的美观效果。 目前采餍辅助索减掇措旌的主要有瞳本的名港西大拼、柜石岛桥、岩黑岛桥。六甲大辚； 建外秀澎法瑟掭，法鹫诺曼藏夹舔帮菠濯辽宁麴畏兴薅耢瞧采羯了这静方法j 。 1 2 。4 拉索振动的主动控制方法 对予拉索的振动控铜i ，由于美观的角度及其实际操作，一般情况下只能安装于拉索的根 部，要求阻尼器的安装镶鼹小于拉索长发的5 ，这样，拉囊长度的增加墙很大的影响般 霰动瓣摇爨麴终珥。嚣藏近年来，对控裳豹振魂羟裁采爝主动或半主动藏铡秘方注被不戮翦 研究及威用。 掎索振动的主动控制方法毛要是控制拉索的轴向内力，从而改变拉索的刚度来抑制拙焱 的振动。从总体来说，主动控$ g 对拉索 二劝的理沧抑制效果还是比较好的，但因其控制过程 鞍为囊蛰，鼓其中某今参数弱变毽都霹缝对控利效果产每影响。对应予藏索主动鲍叛灌，麓 于控制井加轴向力韵敞天嚣电压的大小是一个较琏控制的问题，电压的过太或过小，都会锌 致控制效果的不理想。鹦外需要解决的遥有费用大维护难和持久力 露漪问题。 困魏虽然疑理论霸瘦来说，主霸控铡耱方法是十分蠢效瀚。整引鹜麓鬼止，透缀少氍谈 有拉索撮动的主动控制技术被实际应用。目前日本的几鹰大跨桥梁在拼蟒施工时采用主端菔 量阻尼嚣( a m d ) 进行风掇控制”j ，而在斜拉桥拉索的振幼控f 7 c i , 还未见报道。在主动控制能 被大范围接受之前，还有大量的问题等待解决。 1 2 5 羧索振动熬半主动控嘉方法 拉索的半主动控制摄基于主动控制与被动控制之间的一种控制方法。半主动控制般以 被动控制为主体，根据结构的响应或荷载信息，蛮时改嵌结构的参数，比如刚度、阻尼姒 减小结掏的振动反应i 。 鬟耱掰磷究瓣拉囊事圭魂控摹装鬟主要是糖霹控浚体隘趸器一m 粼磁流交) 疆麓器蠹l e r ( 电流鞭) 阻尼器，邵所谓的智能阻尼器。中南大学毛修菊$ 1 等分剐采翔磁流变辍尼器( m r d a m p e r ) 作为被动控制器件进行了实索试验，证明它舆商良好的减振效果，预示了m r 阻 尼器作为半主动控制器件时将具有更好的减振效果。m r 阻尼器的特点是受外界环境干扰 ，j 、，毽其谗授较大。e r 隧露器泌特点怒钵积小，反应遽嶷缓块，毽箕黼是舟震翔果受努界 环境中杂质( 如水分) 豹侵入则会变待不稳定。 从理论上来说，半主动控制的效果嚣大大好于被动挖制，特别是拉索增长时，当被动控 制安装的位露小于索长的5 时，被动掇制的效果将被大大削弱；另一方面，半主动控制又 不需要主动控制一般的戆源要求，有的半主砖控制装簧甚至于电渔藏可掇镁足够静鹱鳖，这 一点对些大鍪弱建筑茏为重要，毯梵魏震寒辐对最萆镀酶的往往蒇蹩糍源，这将谴主渤控 制完全失效。因此近年来，半主动控制在各种控制领域中部得到了更多的重视。 1 3 利用形状记忆合金在结构控制中的应用 1 9 6 3 年美国海军避羧室首次发瑗n i t i 舍金影靛 a 能敲痰盂，影敬记忆台金( s h a p e m e m o r y a l l o y ，s m a ) g j 起了人们的广泛重视。s m a 蒜有形状记忆效应，同时还具有趣弹 性效应、弹性模量温度变化特性和良好的阻尼性能。这然特殊性能正是s m a 被广泛应用和 研究的原因1 9 l 。 上教纪粥每我，a f l 誊次对形获记恢食金在结掐簌麓控割领域鳇寝蹋涟牙了橱步探索。 飙此，嚣内外学者陆续评展了形状记忆台金在结构振动掖锚中应用静研究工作。按是否辩耍 外部能最输入，形状记忆台金在结构振动控制中的应用可分为被动振动控制和主动振动控 制。 1 3 。l 澎蔽记忆会袅对结棱戆被动攘动燕裁 利用s m a 豹超弹性性能和窝好的敝屉牲艟，可以制作被动耗熊器，用于结构的减搬中。 g r a e s s e r 和c o z z a r e l l i i l o l 利用s m a 的超弹性效应产生的较大的能量耗散能力，分析研究 了s m a 作为被动阻尼器用于地震工程的可行性。 a d a c h i 寤u n j o y i l ”掇出一种桥粱结构减震於s m a 游援耗裁器。对该耗器的性瓣究 表硬，：j 曩论s m a 处予避氏嚣靛态或獒氏髂犊态，耗蘸嚣褥低额特性麓力都强子高强耗特 性。 王社良【1 4 等提出了强建筑结构各层乏闻安装s m a 控索， 用其超弹性被动控制地震响 应的方法，并建立了计算模型。通过有控结构与无拄结构的地震响应分析 较表明s m a 被动挺索露鞋有效遗藏小移季辔裁结构静魏震酶座。 ；g 被1 8 在论文中设； 了一粹s m a 被动耗能装置( 搿1 1 ) ，该耗能瓣中柏s m a 盛怒处 j i 受拉状态。将该装黄囊装在结构层间使n i t i 丝随结构层阻l 位移产生控伸可恢复的弹塑 性，耗散络搀在建震赞裁箨蒡l 下鲍振秘曩。蒋上述耗艇藏箍器安装在缝擒模型土，送静f 振动赍试验，结果表明，该s i v l a 耗能器可以明显减小结构的地震反应。 正点面图 表侧立面图 霭1 - 1s m a 装魂耗戆装黧掬迄蜀鼢 挡板 韩玉林i ”i 等在两层框架结构之间设鼹8 根s m a 丝。对s m a 的被动擦制特性做了试验 研究。试验结果和有限元分折结果都表明，s m a 阻尼嚣将有效快速的减小框架结构的振渤。 1 3 2 形状记忆合众对结构的主动振动控翻 形状记忆合金对结构的的主动控制生耍利用了它的形状记忆效应和弹性模量随温魔变 化的特性。 r o g e r s ，l i a n g i ”等掇趱 l 露s m a 豹特性对复合誊| 瓣缝稳进行结构修改和控制，萁串挺 及裁增s m a 控涮复台褥辩缕掏的振韵。 q ，c h e n 和c l e v ，”1 研究了应用形状记忆合金抑制最简单的构件一悬臂梁的振动问题， 结果表明形状记忆台金可以有效减振。 梅胜敏等将经过颓拉伸的s m a 缎埋入环氧一玻璃纤维复合材料制成的悬鹫桨试件 中，激擞番臂粱，逶过翻热或冷却s m a 改变结捣的鑫露凝宰，经其避嚣共振频率，疆忿对 悬臂粱振动避行控制。窭验结果证明粱的振动幅度将鞠援减小。 王吉军”等在商分予梁的两侧面嵌入预拉伸的处于码氏体状态的s m a 丝作为驱动元 件，在粱的一侧面嵌入颓应变为i 的超弹性s m a 丝作为感知元件，绒成主动控制系统。 激励鬃振动，通过加热域冷却s m a 丝，产生与粱振动速度相反的驱动力。试验结果裘蛾： 盏低焱( 夺于1 h z ) 蔻鞘内，该系统豁效捧睾l 粱静髹秘。 张晓莉”等为了从不同的角度验诞s m a 对悬臂粱结构的振动进行控制效果，设计了3 种试验方案：( 1 ) 在悬臂粱中性层铺设s m a 纤维； ( 2 ) 在悬臂梁上下表面对称均匀粘贴 s m a 丝； ( 3 ) 在悬臂粱单侧表面粘贴s m a 纤维。试验结果表明，第二= 种方案的控制效粜 明显始予第一、三秘控制方寰。论文簸赢还讨论了s m a 在工程应用中存在懿目溪及鞠痰豹 改进方法。 1 4 本文的主簧工作 结构振动控制是当前结梅工程的高科技领域之一，犬跨度桥梁索的攘动控制已经成为? 夸褥荣镶域磷究熬蘸点。l i 蔻最掌用的耱髑掩索风焉徽摄麓方法是安装备季孛阻尼器，虽然被 动耗能阻尼器器对桥粱絮的振动拧制研究歌褥r 穰人的进展， 珏斜扣索振动控4 装置的瓣久 性蟊抗疲劳孛宝辘秘然整个十分重要，蕊至令侵奉麓缀妻子解决豹蠢题。 飙上面s m a 在结构振动控制中臆厢，我# j 可以卷到，在s m a 的被动振动控制中， 目前的研究成果主要集中在s m a 的被动耗能器控制结构地震反应方面。在s m a 主动掇动 控制巾，研究着重集中柱s m a 对复台粱的振动控制，两s m a 对斜拉索的振动控制方磷研 究稷少。 黼i - 2s m a - 蠓轴氲相载减振方式撂哪 s u n t 2 0 等提出在拉索轴向联结s m a 对拉索振动控制的方法( 图1 2 ) ，并进行了数值仿 真分析。 s u n l 2 0 l 葛谈为，在搜索不同摄动获态霹，逶过改变s m a 暹痘戳竣嶷s a 酸弹瞧模整，黧 往s m a 币申长或缩短，从而改变索力，鬣可以达刘拉索撒振的目的。数慎模拟结果表明这种 控制方式理论上有很好的制振效果。 本文对上述s m a 甜拉索的振动控制方法做了基础性的试验研究，主要工作包括：对 s m a 与辘索振砖控剩紧密鞫关静j b 令秘纛骰了材糕试验磺究，设诗了麓萋躲拉索试骚梭翟 强加热冷却s m a 翁装嚣，尝试做探索挂豹试验，褥出一些有益豹结论。 1 5论文的内容构成 纂章缝谵 筵要奔锶了籀拉素静涮摄静重要毪帮减振措施，介缮$ m a 在绩拇叛渤拄 5 制中的应用。掇出本文所要研究的s m a 对拉索的半主动控制方法。 蒡二肇瓣拉索戆振动援理及形装记憾会垒振动控裁穗谵分辑 分键了餐技素静振动撬 霹和相应的减振措施。提出了s m a 对控索振动控制的理想策略与实际策略。根据 拉索的动力学特性，应用张紧撼模型理论分桥了在理想控制镱略下，s m a 对斜拉 索的振动控制效果，并分析了备参数对控制效粜的影响。 第三_ 鼙影状蠢证台金穗佳及其试验辑突赍绍了s m a 赞澎敬记配效应、蘧弹性等搂矮， 并着重对s m a 的相变温度及蕻与井加应力静关系、s m a 的弹性模量与温度的关 系等与本文拉索振动控制试验密切相关的儿个问题做了材料试验研究。 第四章形状记忆合金对斜拉索振动控制试验确定模型拉索参数和s v i a 丝的参数，设 诗了试验装鬟，逑蠢了s m a 对控索缒操动接秘试验，分轹试黢数器，褥出一蹙箍 论。 第五章结语总结仝文主要工作，对艏继工作做了腱耀。 第二章斜拉索的振动机理及形状记忆合金 的振动控制理论 2 1 投索的风致振动 据实桥试验研究袭明，未采取减振措施的拉索备阶振动的对数斑减率占一般仪在 0 0 0 2 0 0 0 3 口”左右。因此在风的激翩f 拉索极易产生风致振动。索撮达到一定的次数i i 蔷， 锚固区魏钢丝裁会壹予疲劳窝撰痿蔼凝裂。因建，挝素戆风致振葫会影旗控索静使羯睾耋筏窝 耐久性能。由此自然也影响了轿粱整体结构的安全性。戳此，有必要研究控索豹振动机璐及 其减振措施。 拉索的风致振动大约有以下几种：忍流驰振涡激振动，抖振，风雨激振，参数振动。 2 1 1 尾流驰振 两索沿风向斜列时，来流方向的下游发生比上游拉索更强烈的一种风致振动。上游拉 索的尾流中存在一个不稳定的驰振区，如果下游拉索正好位于这一不稳定区中，其振动就会 甭葭蕊大，直至这到一个豫态大搐度熬擞隈琢。当秀索攘鞭较运，超塞慧漉驰振不稳定嚣瓣， 就不会发生尾漉驰振。翔圈二i 所示。 芍 凋氧l 尾流骢菱 尾流驰振一般表现为拉索的一阶振动，因而尾流驰掇发生时，拉豢中段的振幅最大，自 激振动的能量也主要从拉索中段输入。尾流驰振的特点怒： ( 1 ) 一般当问隔为2 5 或1 0 2 0 傣拉索直径时发生： ( 2 当最速在( 2 5 5 0 ) ，范爨逡哥发生这狰域象； ( 3 ) 增大阻尼可有效棉蒂4 振动。 由于尾流驰振的起因在于上下游拉索相互干扰所形成的，故其减振措施比较简单，1 = 狸 r 只需将上下游拉索相亘用索夹相连接、改变拉索问距避开尾流驰振区或增设阻尼器增大振 动模态嫩尼酃可抑铡拽索振砖。 7 2 。1 2 涡激振动 拉索横断面一般为鞠形。当风流经过索孵，知雷诺数在菜一范疆内，在其横辑面遣渡中 将出现交替脱落的漩涡，这就是所谓的k a r m a n 涡旋。】8 9 8 年，s t r o u h a l 研究了竖琴弦的风 致振动现浆( a e o l i a no s c i l l a t i o n ) 。他通过试验发现当流体绕过圆柱体时，在尾流中涡旋频 率风速v 帮圆柱轰径d 寄定关系： s ? = 艘| v 无量纲置数称为s l r o u h a l 数，它随断面形状和雷诺数见的变化储变化，对圆形断面的 一。：维毪髂，墨隽0 2 。麴鬟被绕漉的黪体是一巾振动馋采辩，蠲捐往麴漏激力将；l 超露系静 涡激振动( v o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o n ) ，并且在旋涡脱落频率和结构的某阶自振频率正 一致时将发生横风向共振，称为涡激共振。机理如图2 - 2 所示。 图2 - 2 涡激搬动 漏激振动不是一种报危险的发散振确。而是一种带礴臼激性质韵强追振动，它靛特点靛： ( 1 ) 是一种在较 氐风速区发生的有限振幅振动： ( 2 ) 在某一风速区域发生，即存在锁定区： ( 3 ) 蒹强难阻尼蠢壤大猿赖蛙； ( 4 ) 响应对断面澎状的微小变纯报敏感。 对干一般拉索而言拉索一阶涡激搬动的临界风速仅有0 2 5 2 m s 的量级，可见如此 低的风逋所产生的涡激力将难以提供擞趟拉索低阶大搽幅振动的能量 2 2 1 ，故一般而言，拉 索的涡擦铿徒是较高除驰振动( 对于长索可达卡，l 阶的离额) 。事实主，擐摄工程实践，对 于涡激扳动，只要将授索妁对数衰减辜拶选0 0 1 0 。0 1 5 左有，即可膏散匏挣割拉素韵满激 振动：涡激振动也可以采取气动措施加叭解决，设爱髓防涡装置消除旒涡的规则脱落，即 可防止过大的涡激振动振幅。 2 1 3捶振 抖振是一种顺风向响应，它由于风中的紊流成分引起，是一种强迫掘动。根据抖振的脉 动风米源可以将抖振分为：结构物本身忍流引起的尾流抖振、其他结构鼹流引起的尾流抖搌 及大气素溅g 起的封振。耐斜拉索两言，上面三种情撼部有可能。但出予索的蠹力很大发空 气动力辍是作嗣，遮静摄动豹振辐摄，| 、。 从殴有的分析结果嚣理有的丰斗振分辑中要嶷；l ，在辑浆主粱 ，两对素所受到的脉动风赫 载及箕嗡瘫对辑粱主桨砉萼振嫡应静影魂哥阻惫珞，实际土随羞裁控辑跨羰瓣增藤帮簧拽辑密 索体系白勺采用，素上的风荷载己愈来愈军容忽视，结构局部构件构响应不筚引起构件的波努 对结构总体响应的影响也谢必要加以硼究。 其襄对于- 傲柔性结构都有风所引起的抖振问题。一般风速越高，抖振现象也越明显， 毽其攥壤蠢隈。 萼振量誉象尾漉驰振蟊融霹涟援帮样蠢爨激彝发敬魏耱魏，毽壹予发生攥攮 响应鲢风速低，频度大，将会使拉索在锚网瑞楚锚具产生疲劳破坏。可以通过增加阻魁的方 法有效士呶控制抖振现象。 2 。l a 菇薅激振 所谓风雨激振，是指风、雨共同作用引起的拉索丈幅振动现象，简称为雨振或风街撮， 它是目前所有拉索风致掇动中最强烈的一种，已在世界许多斜拉桥上观黎到了这种现象。 在风雨交加时，一般套产生涡流驰搬和雨振。其中雨振的振幅为最大，危害也最烈。日 本在碟凝方蔼麴酚究起步较旱。在霉奉嚣港嚣丈辑帮丹麦法罗辑上褒爨的缭果袤甓，蔚辘索 雨振发生在顺风向囱下倾斜的拉索中，风速一般为7 1 3 m , s 。 斜拉索的足尺节段模型风洞试验的结果表明，在拉索顺风向向上倾斜的条件下，只在挖 索的下部彤成水路，此时拉索无振动；张拉索顺风向向下倾斜的条件下，当风速较小时，在 拉索的下部形成东路，控索也是没有摄动瓣：风速达到禁一特定值时，舔承在风力斡侔爆下 壳骚箕自骞重力帮素表疆土豹摩擦力和袭嚣张力岳，移渤至拉素的上表黼形成永路，照8 链 索发生雨振；当风速继续增大到某一定瓴时，上水路被畎到拉索的背风侧，拉索的振动减小。 在风速为1 0 1 4 m s 时拉索的下水路产生了阻尼力，上水路产生了辙振力，上水路魁拉 索形成掰摄的基本条件。 m a t s u m o t o l 2 3 1 总终了控素甄甭激搽的些发生条锋及璐象特蠢： ( 1 ) 风雨激振发望时的风速一般为6 1 8 m s 左右，且紊流度较小，临界雷诺数范酮 6 0 0 0 0 - - 2 0 0 0 0 0 。引起风雨激振的风向大部分在与拉索平面成3 0 至5 0 腱角范围内； ( 2 ) 雨是拉索发生风藤激振的必要条件，且雨攘大小对风雨激振搬幅的影响显著； ( 3 ) 逶蓬实验研究表爨，投毒下承线存在霹，不靛生最幕激振，瓣上永线的琢藏燕风 雨激振的必要条件。发擞风雨激振时，上下水线在拉索袈蔼绕索轴向作髑期振荡；研究人员 观察后认为水线振荡频率与索振动频率相同； ( 4 ) 发生风雨激振的拉索一般采用p e 包裹，拉索露径8 0 m m 2 0 0 r a m ，跃索发生风硪 擞叛的霹l 缝较大，两黪近塔拄链麓短索发生这一振动憋霹藐馕较枣；在寒流方彝，臻鲣下 游索姥蟒塔上游索客翁超振，但有时轿塔上下游索掏对域单独振动； ( 5 ) 拉索风雨激搬的振幅远大于萁他风致振动的振幅，大多数情况下拉索风雨激振的 振幅幅缎能达到2 倍索廒径，个别甚至选到5 倍左右索巍径乃至相邻拉索相互碰撞； ( 6 ) 常鞋拍斡形式撼现，颤率约在0 3 h z 3 h z 之湖变馥。多模卷圈时激振，凝蜜践 劳较多。大多数培况下，越索振动主簧憝索蟊内振动。 ( 7 ) 发生风雨激摄时，拉索的模态阳尼比很小，备阶模态的对数嶷减率不到o 0 l 。 目前对风雨激振的产生机理尚在研究之中，埘其未有充分的认识，仍不能进行珲论分 柝。i r w i n h ”建议以下式謇餐量拉索有没霄可照发生风掰激振： s ，= ( m 2 ) 孝成。 9 式中墨为s c r u t o n 数，它反映了搜索系统对外界激励的敏感程度一越小，拉索财外 器擞精越敏蓥，疲乏，翳孢索嚣势赛澈聚每羲巷。m 免投索挚链霪量，妒兔空气密袭，d 为 拉索苴径，毒为托索的横态阻尼比。 2 1 s参数振动 当瓣撞挢豹主粱或未塔在鼠或车辘蒋栽幸荤鞠下发生摄动，茧主粱袋主塔豹振动赣攀嚣l 按 索的围寄频率相等，或等于两倍拉索频率时，拉索会产辞：较大振幅的横向振动，这种振动称 之为参数振动。 在移数振动系统中激励依赖于时问殷作为参数出 避在支配方程中，迷糟振动系绞的个 转短藏楚系统孛鹃参数怒戆霹嗣两变纯豹。与， 澈弱系统不藏魏是，在参数墩藏系统申，警 激翮静频率与系统某阶鞠有频率成倍数关系时，小的激励也可激发 大的系统鸭应。 拉索阻尼的作用仪傲影响参数振动的超振激励幅值，而旦起振，阻尼的存在并不减小 拉索的振动幅值，随激励幅值的增大，拉索振动幅值趋干相等，而与阻尼晦大小关系不大p “。 为梵，转正控素参数振动最毒效鲍方法靛是减小圭粱秽主垮静振动幅餐，或者用辘韵素褥控 索联结成索艇，提高控索的自振频率避开共振区。 2 2 拉索的动力特性i 。，j 瓤v i 藤”褥单素豹空澜鑫由振动露分解为：平面瓤搬动，乎蠹外强麓帮沿拉素轴巍的谈 向振动。在推导公式之前，做以下几个赫本假定： 1 、披索是理想乘性的，即拉索截面的抗弯刚度、抗扭刚度很小可忽略不计： 2 、搜索应力在弹性蒋圉盎，符台廉竞定律： 3 、短素振魂产生戆麓彝变形穰枣， 弼2 - 3 控零钓三维自由颤动 小撼度水平拉索的线性自由振动方程可表示如下( 如图2 - 3 ) 水c 塞+ 剽= m 窘 去 仃+ r x 塞+ 芸，l = m 譬一懈 ， 罢卜r ，卦m 导 0 是拉索r ( x ，2 ) 点的轴向位移、面内竖向艇咎和面外位移，m 尾拉索单馈k 度的质量。 当素缝垂痉攘枣显骰，| 、绉振葫时，汲为拉索躲辅彝摄秘季重要露不予考虑，蕊瓣蔫承半 张力近似代替弦向张力，即1 1 = t ，h = r 。式( 2 1 ) 展开略去二阶小量，并考虑静力平衡条 件眉磐：一豫丢，司、赫优先 出“ h a 耐2 w + 一警= m 窘蕊2 ( & 。a f 2 抒姿：。宴 a x 2 饼2 设挝索中一微段变形前后的长度分别为出和出 蠡2 = 威2 + 旋2 丞。= ( d x + d u ) 2 + ( 出+ 新) 2 对于小爨度索： 蠡f _ 凼妇出出咖l 咖， t 2 否i + 忑i + j ( 由虎党定律三e a = 警，而同时f 拦h d s d x ，粥 ! 壁! 型；熟+ 一d z s w 十上f 驾： ( 2 2 a ) f 2 - 2 聃 嵇一3 ) ( 2 q ) ( 2 5 ) 上式叩獗闷动张力增置h 稻索长是常量，式( 2 5 ) 略去二阶小量，沿索长积分，并考虑边界 条件 告刮耻+ 詈妇= 詈f 融 肿五= f ( 罢舳耐卜( 器件， 1 + 8 ( 啪2 悬拉索的静力平衡饿 上蕊式( 2 - 2 ) 和式( 2 w 6 ) 是拉索自由摄动线性理论的基本方程。可见，投寨面终振动不s l 起 鞋彝张秀豹交诧，嚣鹫蕊棼振动朝覆斑缀动不穗台。 2 2 1 挝索面外振动 假设挝索面卦振动的位移可表示为v ( x ， ) = f ( x ) e x p ( i a l t ) ，国是撼动角频率，代a 式 f 2 - 2 b ) , 褥剿 日等2 伽 p ， 考虑边菇条 孛i ( o ) = ；z ) = o ，控素瑟辨浆动静摄型秘簇率努嚣鸯； 吃= 蜘n 罕，瓯= 芋摆， ”是拉素瑚外振动的阶数，a 。为第 阶振型的振幅。 2 * 8 2 2 2 羧囊瑟肉振魂 由式( 2 6 ) ， - 5f w ( 纽= o 时，拉索嘶内振动不弓 起弦向张力变化， = o 。满足这个条 件，不产生附加张力的厕内振动是反对称振动；相反的，产生附加张力的面内振动是对称振 动。”f 蕊分情况讨论这这两砖类型的西内振魂。 ( 1 ) 拉辩陌内反对称振动 如e 所述，凹内及对褥瑗功擅寮萌撒力瑁量n = u ，等 韩聋玲= # ( x ) e x p ( i o 口t ) ，# 墨玲= 纛( 劫e x p ( i r o t ) ，建a 式( 2 - 2 鸯冀炎0 5 ) ，共靖去二阶 小量，得到 日窘2 粘。 ) 塑+查塑：o(2-10)dxd xd r 边界条件膏( o ) = 联，2 ) = 0 ，由式( 2 - 9 ) 可得拉索酾内反对称搬动的振型和频率 觅哪i n 竽，= 孚摆，删，2 ，3 任1 1 ) 式2 _ 1 0 沌d z d x = = q ：= o ，且塞警在撩跨中善稚瓶边改褒正娲所鞋蕊 忙故1 百m 9 1 4 ( 1 _ 书s - n ( 竿) 十 1 一c o s ( 2 m r x 1 ) ( 2 * 1 2 ) a 。为簧精输爰对稼摄墼瓣振辐。 由式