复合斜拉索论文（共7篇）
复合斜拉索论文 篇1
摘要：复合斜拉索是在传统钢斜拉索的外层包裹碳纤维材料, 让碳纤维和钢材优势互补, 使斜拉索的工程性能得到提高。应用有限元软件ANSYS及MiDAS对复合材料斜拉索的静力性能和振动特性做了分析, 计算得出:碳纤维复合拉索在几乎没有增加原钢丝索质量和截面面积的基础上, 可有效地提高斜拉索的抗拉强度以及弹性模量;复合斜拉索的自振频率也有所提高, 可以更好地避免斜拉索共振。
关键词：斜拉桥,碳纤维,复合斜拉索,有限元分析
随着科技发展, 新材料不断被应用在工程领域。近年来, 碳纤维材料用作拉索的斜拉桥在许多国家都有尝试。如丹麦的海宁桥、法国的拉胡安斜拉桥、江苏大学人行桥等等, 均采用碳纤维材料斜拉索。传统的钢丝斜拉索有诸多缺陷, 如自重大、抗疲劳性能和耐腐蚀性差等, 碳纤维斜拉索是在传统刚斜拉索的外层包裹碳纤维材料, 应用的目的就是为了能克服以上传统斜拉索的不足, 发挥其轻质、高强、抗震、耐腐的优点, 本文应用有限元软件对复合材料斜拉索的性能进行了初步的分析。
1 碳纤维复合斜拉索静力分析
复合斜拉索为内层为钢丝束外层包裹数层碳纤维的复合结构, 碳纤维与钢束间利用树脂有效粘结。利用ANSYS建立斜拉索模型, 进行静力分析。
1.1 材料选择
钢丝束采用PES 7-139, 采用两种碳纤维布对钢束分别包裹4层、8层、12层。对结果数据进行对比分析, 材料主要参数如表1、表2:
1.2 计算的基本假定
静力分析是为了得到复合斜拉索的本构关系, 分析碳纤维布-钢丝束复合斜拉索的强度及弹性模量的变化。因此对实验有两个假定:
(1) 钢丝束与碳纤维布结合足够牢固, 可以共同工作。
(2) 在应力小于规定非比例伸长应力前, 钢丝束符合胡克定律。
1.3 建立ANSYS有限元模型
ANSYS建立复合斜拉索模型, 选用link8杆单元模拟钢丝束, 采用shell63壳单元模拟外层包裹的碳纤维布。渐变加载, 运算得出结果。
1.4 结果分析
将两种型号碳纤维布复合斜拉索的应力-应变曲线汇总如图1、图2所示。
从结果可以看出:
(1) 碳纤维复合斜拉索的抗拉强度、屈服强度及弹性模量均有提高。
(2) 其提高幅度随碳布包裹层数及碳布自身强度的提高而增大。
(3) 在应力—应变曲线中, 在应变为1.5%的节点, 应力有突变, 因为在模型中, 已经假定碳纤维达到极限伸长率时丧失强度, 退出工作。
2 复合斜拉索自振特性分析
斜拉索的振动导致的疲劳破坏是斜拉索的主要病害之一。新型的复合斜拉索振动特性的变化关系着结构的安全。下面利用MiDAS对碳纤维复合斜拉索进行自振特性分析。
2.1 建立复合拉索有限元模型
采用有限元软件MiDAS进行自振特性分析, 确定复合斜拉索的基频和自振周期, 根据多阶自振模态中的振动参与质量来确定各振动方向主振型。
建立复合斜拉索模型, 索长50m, 倾角45°, 轴向拉力3000kN以模拟斜拉索承受的恒载。下方支点, 开放垂直向自由度。斜拉索所用材料分别选取PES 7-139钢束, 以及上文中Ⅰ组、Ⅱ组复合斜拉索。MiDAS模型如图3。
运行MiDAS分析, 得到前十阶振型频率和震动参与质量相对值。复合斜拉索前五阶振型如图4 (a) 至4 (e) 。
2.2 数据分析
复合斜拉索前五阶阵型与PES 7-139钢束一致。如图5所示, 随着复合斜拉索弹性模量的提高,
自振基频随之提高。如表4所示:随着振动频率提高, 复合斜拉索频率提高幅度更加显著。
复合斜拉索自振基频的提高, 使斜拉索的频率进一步远离主梁的自振频率, 降低发生索梁耦合振动的概率。还可更有效地降低风雨激振作用、风荷载等外界荷载引起的共振。
3 结语
利用有限元分析方法, 对碳纤维复合斜拉索的静力性能以及自振特性的模拟计算得出:
(1) 碳纤维复合拉索在几乎没有增加原钢丝索质量和界面面积的基础上, 可有效地提高斜拉索的抗拉强度以及弹性模量。
(2) 复合斜拉索的自振频率也有所提高, 可以更好地避免斜拉索共振。
本文只是作为碳纤维复合斜拉索研究的初步分析, 下一步还有大量研究有待进行, 让碳纤维和钢材优势互补, 会使斜拉索的工程性能得到显著提高, 如果复合材料的斜拉索得以应用, 对斜拉桥的发展将有大的推动。
参考文献
[1]梅葵花.CFRP拉索斜拉桥的研究[D].南京:东南大学, 2005.
[2]李国豪.桥梁结构的稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社, 1992.10.
斜拉桥斜拉索施工技术 篇2
随着我国经济的发展,桥梁建设不断扩大,斜拉桥作为具有较大跨越能力的一种桥型,外形优美,构造大方简洁。这种桥型从引入我国桥梁建筑领域开始至今,发展时间并不长,但发展速度相当快,它在全世界范围内普及也不过只有短短半个世纪。就现阶段来看,中国已建成二十余座斜拉桥,并且其成桥状态,及其在车载和自重相应下的结构特点,在业界被受关注。本文针对宝鸡代家湾渭河斜拉桥的具体情况,对挂索牵引力计算,斜拉索张拉及索力调整施工进行了总结,可供同类工程施工参考。
1工程概况
宝鸡代家湾渭河斜拉桥主桥是独塔无背索斜拉桥,全长1146m,跨径组合为9×20m+(20 m+75 m+32 m)+16×32 m+(32 m+75 m+20 m)+10×20m,在跨越310国道和拟建滨河路时采用单索面斜塔斜拉桥方案,跨径布置为20 m+75 m+32 m。主塔倾斜60°,为钻石型C50混凝土桥塔。主梁为四室箱梁,梁高2.15~3.15 m,桥面宽28m。斜拉索为扇形单索面,布置在中央分隔带上。斜拉索采用双层PE防护PES7-187平行钢丝索,配用锚具为LZM7-187L(G),标准强度1670MPa。梁上索距6m,塔上索距2.7m,共9根索,最大索力控制在450T,最小倾角28.6°,拉索张拉端位于塔上。该桥的数据尺寸布置如图1所示。
2斜拉索构造概述
宝鸡代家湾渭河大桥采用Φ7钢丝制作,钢丝的标准强度Ryb=1670MPa,钢丝配用冷铸锚,具体冷铸锚构造见表1。
3挂索牵引力
本桥采用的是先安梁端,后安塔端,塔上为张拉端的方法。先计算挂索的牵引力,见公式(1)。
式中:△L———为牵引力为T时拉索上端离塔柱上相应索孔锚板端面的距离;
L0———为上下两端索孔锚板中心的几何距离;
L———拉索的长度;
W———为拉索每单位长度重量;
Lx———为L0的水平投影长;
T———为拉索的设计牵引力。
由上式可得出关于T的一元三次方程,依次可得1#~9#索的牵引力见表2。
精下料长度见式(2)。
式中:L———拉索精下料长度;
L0———每根拉索的长度基数,是该拉索上下两个索孔出口处在拉索张拉完成后锚固面的空间距离;
ΔLe———拉力作用下拉索弹性伸长修正;
ΔLf———拉力作用下拉索垂度修正;
ΔLML———张拉端锚具位置修正;最终位置可设定螺母定位于锚环前1/3处;
ΔLMD———锚固端锚具位置修正;可设定螺母定位于锚杯的1/2处;
LD———锚固板厚度;
2d———拉索两端所需的钢丝墩头长度,d为钢丝直径。
温度修正及应力下料修正可根据具体情况考虑。
弹性伸长量和垂度修正值可分别式(3)、(4)计算。
式中:σ———拉索设计应力;
E———拉索弹性模量;
T———拉索设计拉力;
L0———拉索长度基数;
LX———L0的水平投影;
W———拉索每单位长度质量。
由计算出的牵引力T,再计算出拉索的精下料长度L,见表3。
4斜拉索张拉
4.1张拉前的准备工作
(1)检查临时锚固是否稳固牢靠,拆掉牵引索连接接头,保证拉索上没有任何额外的挂件。
(2)将锚垫板上的油污、废渣等杂物清理干净,确保板面清洁干燥;检查并测量冷铸锚头内外螺牙有无破损,是否与锚垫板孔眼中间对正。
(3)检查张拉设备的电源是否安装到位,校验油表、液压油泵和千斤顶的标定。
(4)备齐张拉所需的计算资料,如每次张拉的力值、张拉次数、换算的读数、梁面的标高变化值、塔柱的偏移值、拉索的理论延伸量等等。
4.2张拉程序
拉索的张拉程序:做好准备工作,在指定位置安装千斤顶,张拉杆拧入冷铸锚杯,拧入张拉杆工具锚圈,施加5%的设计索力,根据设备状态适当调整其安装位置,详尽记录初始张拉值,卸除安装千斤顶的吊点或支垫点,分级施力直至达到一次张拉规定的拉力值,与张拉同步拧紧锚圈。量测应力、应变值,与设计应力、应变值核对。外观检查(锚垫板、锚箱、塔柱结构等变形情况,拉索油污断丝、滑丝现象),检验合格,解除千斤顶和张拉杆,进入下一根索的张拉周期。
5索力调整
索力调整与索力张拉同时进行,此桥在塔端张拉,则在塔端调整索力,张拉与调整共用一套设备,这样,施工支架,升降平台,千斤顶悬吊设施均可共用,以节省成本和时间。索力调整施工按下述步骤进行。
(1)计算好要调整的索力,延伸量,主梁标高的变化值等数据。
(2)检查并调试好张拉设备的完好设备。
(3)将张拉设备、工具分别安装就位,张拉丝拧入冷铸锚杯,并拧合到位,不安装工具锚圈,千斤顶与油泵油管接好。
(4)开动油泵,使千斤顶活塞无负荷空升少许,如调索要求提高索力,则空升3~5cm即可,如调索要求降低索力,则空升值为拉索回缩值加3~5cm。
(5)拧入工具锚圈,索力检测采用拉杆拉力的方式,在工具锚圈与千斤顶垫圈之间安装穿心式压力传感器。
(6)按预先计算并确定调索的相应的张拉力,通过电动油泵进油或回油逐级调整索力。如果是降低索力,则先进油张拉至上次张拉的吨位,看锚圈是否有所松动,如果没有松动,则增加少许拉力,使锚圈松动,反时针拧松锚圈至大于拉索回缩量位置,油泵缓慢回油使拉索索力降低,直到满足设计要求,随即拧紧锚圈,量测并检查索力调整后各项数据是否符合设计要求;如果是增加索力,则缓慢进油张拉至设计索力值,随即拧紧锚圈。在调整过程中,如果调索延伸量超过千斤顶行程,则第一次张拉达到千斤顶行程时,旋紧锚圈,千斤顶回移,重复进行下一行程的张拉。
调索过程中,应以检测、校核数据配合油表读数,共同控制张拉力,并随时观测。调整后索力值如表4所示。
6结论
斜拉索施工是斜拉桥施工重点之一,宝鸡代家湾渭河大桥针对斜拉索施工特点而采用的施工工艺,充分考虑了斜拉索为扇形单索面,拉索在塔上为张拉端等特点,合理的施工方法保证了工程的顺利完工,也保证了成桥后的桥梁质量。本文针对宝鸡代家湾渭河斜拉桥的具体情况,对挂索牵引力计算,给出了调整索力大方法,并定量给出了数据支持,调整索力明显降低,说明本文的方法是有效的,可为相关工程和研究提供借鉴。
参考文献
[1]孙德君.对我国铁路斜拉桥发展的探讨[J].工程科学,2008(12):56-57.
[2]马文田.混凝土斜拉桥的施工控制与索力调整[D].广州:华南理工大学建筑工程系,1997.
斜拉索基频识别技术 篇3
关键词：斜拉桥,斜拉索,索力,频率法,基频
0引言
近十年来,斜拉桥在国内已成为主要桥型之一,在施工及后期运营状态中有一项重要的内容,就是索力的测量,索力测量的方法有:油压表法、压力环测量法、频率法等。前两种是直接测量法,后一种是间接法。这些方法均在实桥中有应用[1],其中精度较高的有压力环测量法以及频率法。压力环测定:直接在斜拉索锚头下安装压力环,一侧靠锚具,另一侧靠锚垫板,这种方法最直接,精度高,但成本高,对锚垫板平整度要求高,仪器重不便于操作。频率法:通过在斜拉索上安装加速度传感器,获取斜拉索在自然振动激励下的时程曲线,经低通滤波、放大信号和快速傅里叶变换,得到自功率频谱图来确定斜拉索的自振频率,然后由相应公式计算索力。频率法测索力的优点:安装测量简单,设备可多次使用,根据现有仪器水平及分析技术,测定拉索频率的精度可达到0.002 Hz,即索力值精度可达0.6 t～1.2 t,足以满足工程要求。频率法适用于没有预先安装传感器情况的现役斜拉桥的索力测量,精度高,测试速度快[2]。频率法测索力是目前确定斜拉桥索力最广泛使用的一种方法[3],作为一种由频率间接换算索力的方法,振动法测索力的关键在于如何由实测数据得到正确的拉索频率值以及准确的索力、频率对应关系。
1工程概况
崖门大桥是广东省西部沿海高速公路建设项目的重点工程之一,大桥为双塔单索JP2面预应力混凝土斜拉桥,采用塔梁固结柔性墩体系[4]。每侧边跨设置一个辅墩,跨径组合为(50+115+338+115+50)m,全桥总长668 m。主梁是单箱五室预应力混凝土梁,梁高3.48 m,桥面全宽26.8 m,设双向四车道。主墩为双壁柔性墩,横向宽12 m,双壁之间中心距6 m,墩高47.6 m。桥面以上塔柱高73.5 m,塔柱断面为单箱混凝土断面。全桥共有斜拉索200根,主梁标准索距6 m,桥型布置图见图1。
本文采用压电加速度传感器LC0406进行斜拉索振动测试,生产厂家为朗斯测试技术(秦皇岛北戴河)有限公司,测试系统框图见图2。
用上述测试系统分别于2007年,2008年,2010年,2012年对该桥索力进行通测,2007年测试结果作为长期监控初始值;传感器置于桥面以上2 m左右,测试值为加速度时程曲线,方向垂直于索线;测试参数[5,6,7,8]:采样频率80 Hz,低通滤波50 Hz,采样时间204.8 s,FFT点数1 024,重叠率3/4。
2斜拉索基频识别
根据文献[9][10],当拉索索力一定的时候,理想的情况其经过FFT变换得到的自功率谱上的峰值应该是等间距的,且峰值间距应该等于斜拉索振动的基频。这是因为理想的斜拉索索力与其自振频率关系公式
图3自功率谱密度(一)
另外,将频谱图峰值相减,结果见表1,可明显看出峰值间距越往高阶越大,识别出的基频误差越大,从而影响了索力测量的精度(基频变化0.01,计算出的索力值变化4 t～6 t)。
由于测试条件限制,索力测试时传感器只能放在索离地面2 m处,环境振动功率谱代表前几阶频率的峰值很容易混淆,所以难以从频谱图上直接看出基频值,甚至无法确定功率谱上的峰值对应的固有频率的阶数。这是由于较长斜拉桥的拉索的基频相当低,其功率谱的低频部分有时涉及与桥面板或桥塔的基频的耦合。从频谱图上难以观察出其基频的位置,只能识别出其高阶频率,如图4所示,为一根长索自功率谱密度,其峰值间距约为1.6,故知第一峰值为其二阶频率,其基频约为3.13/2=1.565(见表2)。
较长斜拉索的前几阶频率通常不能被识别,但直接利用高阶频率差值,或用高阶频率除以其阶数求基频就会造成基频识别值偏大(用7阶频率计算出的基频比实际基频大0.23),导致计算出索力值偏大,故本文采用二次拟合的方法计算其前几阶的频率。
图5a)是东塔上游25号索的各阶频率拟合结果,从频谱图识别第4阶～第20阶频率,以二次曲线进行拟合。实测的和拟合的各阶频率差值见图5b)。可见,实测各阶频率的差值最小为0.703 Hz,最大为0.79 Hz,且各阶频率差值的分布无序;而拟合的各阶频率的差值变化是平缓的,从0.731 Hz～0.767 Hz,与文献[11]的结论较为吻合。
3识别结果
运用上述基频识别方法及文献[1]中所推导的索力计算公式,对崖门大桥三次长期监控的索力测试结果(2008年,2010年,2012年,仅给出上水测量值)列于图6,图7。从图6,图7中可以看出:1)桥梁全桥的索力分布比较均匀、对称;2)三次的索力测试结果的变化率均不大,在5%之内;3)个别斜拉索的变化率较大,可能是由于测试过程中有重车经过,造成一定的误差。
4结语
斜拉桥斜拉索的腐蚀及改良研究 篇4
斜拉桥是处于山谷或者河流地域, 长期暴露在风雨、潮湿和污染空气的环境中, 且主要材料为钢材, 若防护不当, 极易受到腐蚀。斜拉索的腐蚀主要是化学腐蚀和电化学腐蚀。
1.重防腐油漆涂装防腐蚀
2.热镀锌防腐
3.喷涂热防腐
现在, 我国用的斜拉索方式系统有以下2种:
1.用热挤HDPE防腐的平行钢丝索配以环氧冷铸墩头锚系统
平行钢丝索的特点是工厂预制, 成品索直接上桥安装。平行钢丝索的防护方式是双层防护, 即钢丝镀锌+整体索外热挤聚乙烯防护层。钢丝镀锌层附着量大于300g/m2, 热挤聚乙烯防护层是掺炭黑2.3%公路交通技术2008正的高密度聚乙烯热挤索套。实际用的是以HDPE为基料含2.3%炭黑和适量抗氧剂的缆索热挤护套用料, 它具备吸湿性小、耐磨性好、耐寒性和耐化学药品性好、易加工及良好的耐环境应力开裂性等特点。
2.用热挤PE防腐的单股钢绞线组成的钢绞线索, 两端用不同于一般预应力钢绞线的特殊夹片锚形成群锚系统
目前, 热镀锌稳定化处理作为基本防护措施, 有诸多缺陷:
1.锌质软, 因碰撞、划伤而露出钢基, 使钢索直接受到侵蚀性环境的腐蚀。
2.锌属于活泼金属, 易被酸性物质损耗。
3.高碳钢丝热镀锌时, 钢丝的机械性能变差, 强度、弯曲值、扭转次数略有降低。
实验研究:
本次实验分为4个阶段, 分别为钢绞线表面的清洁, 表面的热镀镍处理, 腐蚀处理和金相试验。
1.原材料所用的钢丝为桥梁施工所用的斜拉索钢丝, 实验所用为表面镀锌处理的钢绞线和没有任何处理的钢绞线, 但是无处理的钢绞线上有一层油污, 为了使热镀镍的致密以及达到一定厚度, 必须清洗掉这层油污, 我们采用相似相容原理, 用汽油清洗, 用牙刷刷洗以及最后的用清水冲洗, 可能操作的不恰当, 最后清洗的不是特别干净。
2.实验采用热镀技术, 先配制3%的镍溶液, 然后将截成为10cm长的清洗过的钢绞线放入盛有溶液的烧杯中, 加热进行镀镍, 热镀4个小时, 然后取出来冲洗表面镍溶液, 放置一周, 进行下一轮热镀处理, 如此循环四次。
3.配置高强混凝土, 将没有处理过的, 镀锌以及镀镍的三种钢绞线埋入混凝土块中, 模拟桥梁环境。标准养护28d后, 放入实验室加速腐蚀环境进行腐蚀处理。
4.取一些试样, 将其表面磨平抛光, 用0.3%的硝酸进行侵蚀, 然后用金相技术进行观察, 通过观测不同的试样进行对比分析。
结果讨论:
对试样进行金相实验, 图示分别为镀镍钢丝在无硝酸和有硝酸腐蚀的金相图片, 由于清洗以及热镀的效果欠佳, 导致不够干净而镀层不够致密和厚实, 但是可是明显看出, 镍具有良好的防腐功效。
由于实验的自身原因, 导致镍镀层的致密性以及厚度不够, 故与镀锌对比性不是很强, 此处不予考虑。
参考文献
[1]吴文明, 李闯.斜拉索防腐技术探讨[J].公路交通技术, 2008, 4:47-49.
浅谈斜拉索施工技术 篇5
涡阳县涡河三桥建设工程, 包括桥梁工程及接线工程, 工程起讫点桩号为K0+000~K1+234.577, 全长1234.577m, 工程位于涡阳县城关镇涡阳枢纽下游约0.9KM处东环路跨越涡河, 南连东环路, 北接五水路。其中桥梁工程起讫点桩号为K0+179.000~K1+027.000, 全长848m。
2 主要施工工艺
2.1 斜拉索水平运输
索重8t以下由塔吊直接吊运到桥面。8t以上索用龙门吊吊运到引桥, 用49KN卷扬机水平牵引索到要求位置。
2.2 索盘放索及水平牵引
索重8t以下索, 挂好塔端索后, 塔吊提起斜拉索着梁部分, 将锚杯固定于水平车上, 由卷扬机水平牵引索到索管上口附近锁定。牵引过程中, 沿线运动方向在索下间隔3m铺设硬度小于PE套的圆木支垫以防拉索PE套损伤。
8t以上索在盘上经卷扬机水平牵引均匀放索, 水平牵引距较大, 圆木支垫较多, 应适当放慢牵引速度, 牵引到塔位时就盘足挂塔端索高度的长度, 挂完塔端索后, 回牵拉索到梁端索管口附近锁定。
2.3 斜拉索挂穿索
塔端挂索系统由塔吊、张拉小车和卷扬机组成。张拉小车为挂索, 张拉的施工平台, 结构为框架承重结构, 共分两层:底层为油泵工作平台, 顶层为张拉工作平台。张拉小车设置四只滚动轮, 沉塔内斜侧面坡度升降。卷扬机为张拉小车升降牵引动力和挂索牵引动力, 为一机两用。当张拉小车升到位时, 用索卡将张拉小车临时卡固于预设吊缆上, 空出卷扬机, 牵引由塔吊运至索管下口的斜拉索锚杯进入索管锚垫板以上时临时锚固。梁端穿索系统由卷扬机, 5t手动葫芦 (或滑轮组) , 斜拉索抱箍和刚性 (软) 牵引结构组成。以卷扬机为水平动力, 5t手动葫芦 (或滑轮组) 为拉索, 斜向导向对中牵拉动力, 由刚性 (软) 牵引拉索进入索管下口临时锚固。
(1) 挂索前的准备。搭设待挂索导管处操作平台, 可利用主塔拼装时的脚手架, 同时拆除挂索时有影响的脚手架钢管。测量检查张拉槽口尺寸, 清理锚垫板上的杂物, 打磨索导管出入口处及管内的钢质毛茬, 保证张拉千斤顶安装顺利和斜拉索锚杯穿过正常。铺设梁上放索设备、滑道、锚头、小车及放盘机, 要求横桥向对称布置, 并保证滑道顺直。在梁上及塔上索导管处安装导向支架和水平牵引5t卷扬机, 卷扬机后锚点及转向滑轮可在梁上预埋圆钢筋吊环固定。要求导向支架稳固。安装YCW250型千斤顶, 大撑脚等设备, 用于索的牵引挂设, 并按配套标定统一编号就位。各索的安装方法不尽相同, 长索、短索分别对待, 并检查索号和方向, 标明该索位置的缆索制造号。塔上索导管及出、入口处均用橡胶固定作防护, 而且用薄铁皮加有内螺纹帽套于冷铸锚头上, 防止挂索过程中锚杯螺纹及索PE套损坏。 (2) 挂索施工步骤。塔端挂设。用塔吊将索盘吊至桥面上, 并放入放盘机内, 用卷扬机在放索道上将待挂索展开, 注意张拉端在主塔端。卸下锚头后盖, 查内丝扣情况, 清除其内杂物, 保证大螺母转动自如, 卸下大螺母, 给锚杯筒前端套上已加工好的薄铁皮保护套。在塔上按相应装配图将大撑脚、千斤顶及张拉杆与替接头进行连接并用倒链调整好倾角, 保证与索导管轴线一致, 挂好5t倒链转向滑车, 并将引索钢丝绳头及替接头从塔上索导管内引出。塔吊吊钩吊在冷铸墩头锚上和索上的两个软吊带上, 起吊斜拉索。待张拉端锚杯沿滑道进入索导管内时, 塔吊松钩移动吊点, 继续用卷扬机牵引锚杯出索导管, 取下提吊头及钢丝绳。梁端挂设。梁面上布置好5t水平牵引卷扬机, 卷扬机钢丝绳水平牵引力为10t。梁上索导管周围铺好麻袋, 并清除梁上的钢筋头等尖锐物。好牵引索夹具, 要求牵引夹具将索夹紧, 严禁夹具与索之间相对滑移, 以免损坏PE套。用汽车吊或移动吊架吊起固定端锚杯, 同时水平牵引斜拉索人工配合引导锚杯进入索导管, 在梁底拧上大螺母。 (3) 斜拉索挂设过程中注意事项。拉索挂设前应严格检查塔上、梁上索导管口及管内是否有尖锐毛刺, 并清除干净。张拉杆与锚杯、替接头与张拉杆, 倒链挂钩与提吊头、软吊带与塔吊、牵引索夹具与索、卷扬机与转向滑轮的锚点等各处连接部分均应严格检查, 确保连接牢固。索挂设前塔端索导管口附近的障碍支架应予以拆除, 拆除时应保证主塔脚手架的安全, 索挂设完成后应及时恢复。塔上牵引5t倒链应确保完好, 在塔吊吊点转换时, 索的自重全由倒链承担, 所以要及时检查倒链情况并有保险措施, 可采用两台倒链并用, 以保安全。
2.4 斜拉索张拉及索力的控制调整
缆索张拉千斤顶及配套设备的性能与标定:
(1) 张拉设备选用了YCW250型缆索张拉千斤顶, 它既可与替接头、张拉杆和撑脚组装, 用于张拉冷铸锚具的缆索, 又可对斜拉索进行长距离的牵引就位工作。 (2) YCW250型千斤顶, 每套配50MPa油泵一台, 0.4级油压表一个, 全桥共需YCW250型千斤顶3台, 其中备用一台。 (3) 千斤顶、油泵、油表在使用前应配套校验、标定以确保张拉索的准确性。
张拉千斤顶安装程序:
(1) 对塔上索导管, 锚口尺寸进行检查, 容许出现正公差, 确保张拉千斤顶与索中心重合。 (2) 在锚垫板上划出各锚管口处的十字中心线, 标明冷铸锚杯大螺母和千斤顶大撑脚的安装位置线, 使撑脚中心对准锚孔十字中心, 并保证大螺母固定在锚垫板上, 大螺母中心正对锚孔十字中心。 (3) 在塔柱上焊接吊挂调整千斤顶的倒链、滑车的吊耳, 也可在其他有承载力的结构上系短千斤绳作为倒链吊耳, 用千斤顶倒链调整角度, 使大撑脚对准安装位置标线, 然后用辅助倒链将千斤顶临时固定, 为防止大撑脚上下、左右移动, 可在锚板大撑脚安装位置焊上限位装置。 (4) 待索挂好, 张拉杆安装在YCW250型千斤顶以后, 再检查微调大撑脚位置, 使之精确定位。
缆索张拉与调整:
(1) 准备工作。制定张拉作业操作要点与工艺程序, 对参加张拉工作人员作详细技术交底和培训, 了解掌握张拉设备使用性能及安全要求, 考核合格才能正式上岗。计算出对张拉力及相应油表读数、索伸长量, 列出表格, 供施工中使用, 制定各种检查表。做好塔柱的倾斜、主梁标高等的物理测量标记, 索力测定和各项试验的准备工作等应准备充分。将张拉千斤顶与索力测试仪相互对应分级标定, 以达到相互校核的目的。 (2) 索力调整。斜拉索挂索初张完成后, 测试索力、塔的位移、梁体标高、梁体应力等资料反馈给设计人员, 进行分析计算, 确定第一轮调整索力, 然后按操作指令要求的顺序对各索进行第一轮索力调整, 之后进行梁上附属工程施工, 再次测试索力、塔的位移、梁体标高、梁体应力并反馈给监控组和设计人员, 以此确定第二轮调整索力及调索顺序。在施工中加强监控项目的监测, 确保主塔和主梁的内力与线形及各索内力符合设计要求。
结束语
斜拉索施工是斜拉桥施工重点之一, 斜拉索施工技术经过多座桥梁的实践和检验, 日趋成熟完善, 为斜拉桥的进一步发展奠定了良好的基础。在拉索施工中采用上述工艺, 即保证了施工质量又加快了施工进度, 取得很好的效果。
摘要：涡河三桥主桥跨径2*124M预应力混凝土连续箱梁, 主塔采用水滴流线型, 为独塔双跨的双索面半漂浮体系斜拉。介绍了该桥斜拉索挂索, 牵引及张拉施工工艺。
大跨度斜拉索参数振动研究 篇6
拉索是斜拉桥的主要受力构件之一,因其质量小、阻尼小、刚度大的特点,在风、雨、地震以及车辆荷载的作用下极易发生振动。随着近年来大跨度桥梁的飞速发展,斜拉索的长度也不断增加,拉索振动问题也越来越引起研究者的重视。拉索的振动主要分为风雨激振、风致振动、索端部激励引起的振动,拉索的参数振动属于索端部激励引起的振动,其与另一种索端部振动———强迫振动的区别在于一个是由索端部横向振动(垂直于索向)引起的振动,一个是由于索端部轴向振动引起的振动,前者又分为面内强迫振动和面外强迫振动、面内强迫振动与面外强迫振动的区别在于一个有垂度影响,一个无垂度影响。
而随着桥梁技术的发展,能够满足大跨越能力的多塔斜拉桥方案也越来越受到桥梁工程师们的厚爱,其中尤以三塔斜拉桥为多。本文以武汉某在建三塔斜拉桥为例,探究其拉索参数振动的可能性。
1三塔斜拉桥简介
该桥拟建于长江上,主桥采用三塔双索面结合梁斜拉桥,半漂浮体系。跨径组成为90 m+160 m+616 m+616 m+160 m+90 m,主桥长1 732 m。其中索塔采用花瓶型钢筋混凝土桥塔,过渡墩及边墩采用空心墩,钻孔灌注桩群桩基础。主梁采用双工字型钢主梁与混凝土板共同受力的组合梁。双工字型钢主梁横向中心间距为30.5 m,混凝土桥面板板厚均为26 cm。主梁全宽31.4 m(含检修道、风嘴)。边塔处采用竖向支撑,中塔处固定铰接体系。主梁边塔处设置两个双向活动支座,横向设置抗风支座;中塔横梁顶设竖向支座及纵向限位挡块,约束竖向及水平位移,横向设抗风支座。在边塔处设置纵向阻尼装置。总体布置图见图1。
2 分析方法
由有限元建立的三主梁模型[1]进行模态精确分析,得到全桥的振动模态和频率,然后由理论公式计算出各索基频,与有限元建立的索的基频比较后,与全桥整体振动频率对应,对可能发生主参数振动和主共振的索进行分析。三主梁有限元模型如图2。
单根斜拉索模型如图3。该索一端固定,一端施加激励,假定索本身两端均无转动约束。将拉索静力曲线简化为抛物线,不考虑索抗弯刚度情况下;基于面内振动的单阶自由度展开运动方程[2]。
T为索的切向拉力,τ为索的振动产生的切向动拉力,s为索的弧长坐标,m为索的单位长度质量,θ为索在面内的倾斜角,y为索在静止条件下重力构型,v是振动时偏离重力构型的位移。
取近似张紧弦的模态分析,同时由于Tagata[4]指出代入,端激励振动基本模态占主要地位,由Galerkin方法分析,得到广义的Mathieu方程如下
式(2)中:
式(3)中,ω0是与拉索同规格标准弦的一阶振动圆频率,ω1是拉索考虑垂度效应和几何非线性因素后的一阶振动圆频率,ε1是拉索一阶振动模态阻尼比,α1是参数振动项系数,与激励幅值有关,α2是平方非线性系数,与拉索的倾斜角有关,α3是立方非线性系数,与拉索的弦向变形有关,α4是外激励项系数,与外激励的幅值和拉索的倾斜角有关,d为拉索跨中垂度,λ2是反映拉索弹性和几何垂度的重要参数,称为Irvine参数。
3 全桥振动特性与索振动特性比较
表1列出全桥振动模态频率(考虑到内共振的可能性,故侧弯也将列入)。表2列出用
公式(5)计算出所有拉索的基频。图4给出全桥整体振动模态与拉索振动模态之间关系(上面一条曲线代表拉索两倍的基频)。
4 参数振动特性
本章主要考虑拉索参数振动特性,从索的激励频率,索的阻尼比和索的振幅上考虑各因素对索振动的影响[5]。
由图4中可知,边塔边跨拉索从S22开始,边塔中跨拉索从N19开始,中塔拉索从M19开始较易发生典型参数振动(对应四阶竖弯),由于三者长度差不多,故取频率最为接近的S22计算,首先验证Ansys计算基频与分析基频对照,验证可靠性。S22Ansys计算的面内基频为0.419 64,与分析结果0.414 4误差不到2%;N22Ansys计算的面内基频为0.366 874,与分析结果0.360 6误差不到2%,故认为可靠。
4.1 索不同的影响
用四阶龙格库塔方程求解式(5),得S22和N22的频响曲线如图5、图6(激励幅值0.02 m, 阻尼比0.001)。S22和N22索参数如下:
由图5、图6可知,当索的激励频率接近索自身振动频率或者其两倍时,索易于发生大幅度振动现象。索的主振动(基频激励)的振幅一般大于主参数振动(近似两倍基频激励),并且主参数振动的区间有明显便宜现象。
4.2 索的激励频率不同的影响
以频率为4阶竖弯(f=0.412 7)的简谐轴向在大位移小阻尼条件下给予位移激励S22,用数值方法得出主振动时程响应曲线如图7。
N22以激励幅值0.02 m,频率0.717 7(16阶竖弯),0.721 2(2w1),0.726 9(17阶竖弯)的简谐轴向位移激励分别激励,假设索的阻尼比0.001(对数衰减率0.006,为小阻尼,)得出图8—图10,可看出索的主参数振动对激励频率要求比较高,一般较难被激起。
Ansys计算的时程曲线,如图11、图12。在去掉垂度导致的位移偏移值后,与数值计算结果较为吻合。
4.3 阻尼的影响
图8、图13和图14列出在相同激励频率和激励振幅下不同阻尼比时索N22的时程曲线,图6、图15和图16是不同阻尼比时索N22的幅频曲线。由图可见,大阻尼会显著降低主振动和主参数振动的幅值,也会显著减少到达稳态的时间,但幅值仍处于危险区域,大阻尼的另一个明显作用是限制了主参数振动的响应区间,而且最大振幅出现位置距离两倍频率的偏移位值随着阻尼增大也逐渐减小。值得注意的是,阻尼的变化对稳态振幅的影响微乎其微。
4.4 激励振幅的影响
同样取N22分析,在相同的激励频率和阻尼下,改变振幅,得出时程曲线图17、图18和幅频曲线图19、图20。由图可知,激励幅值对振动幅值有明显的影响,小的激励幅值还会限制拉索振动区间,所以采用对主梁限幅控制拉索参数振动是有明显作用的。
5 结论
本文通过对斜拉桥中不同拉索参数振动的分析以及各种因素对参数振动的影响,得出了以下结论:
(1) 当拉索的局部自振频率与全桥自振频率处于某一区间时,易于发生严重的参数振动现象。过大的振幅将严重威胁桥梁的安全性和耐久性。
(2) 主共振的激励频率诱发区间较主参数振动诱发区间大,并且一般情况下振幅要高。
(3) 主参数共振由于对频率区间要求极为严格,所以相比较主共振不容易发生,且主参数振动对应的最大振幅频率与自振基频的比值略大于2。
(4) 阻尼变化对主参数振动稳态振幅影响不大,但是会显著减少振动到达稳态的时间。阻尼加大会减小共振区间,对于最大振幅处的频率偏移现象也有削弱作用。
(5) 激励幅值对振动幅值有明显的影响,小的激励幅值还会限制拉索振动区间,所以采用对主梁限幅控制拉索参数振动是有明显作用的
摘要：针对大跨度斜拉桥拉索的参数振动问题,利用三主梁建立模型的有限元方法计算三塔斜拉桥动力特性,并计算单根拉索动力特性。通过频率比较得出易于发生参数振动的拉索。取两个典型长索进行分析,通过有限元和数值积分两种方法比较讨论各种因素(激励频率、激励振幅、阻尼)对索参数振动的影响。结果表明:当索频率和全桥频率成一定比率时,极易发生大幅度参数振动,对桥梁的使用和安全有不利影响。
关键词：斜拉桥,拉索,参数振动,有限元,数值积分
参考文献
[1] Zhu LD,Xiang HF,Xu YL.Triple-girder model for modal analysisof cable-stayed bridges with warping effect.Engineering Structures,2000;22(10):1313—1323
[2]汪志刚,孙炳楠.斜拉索的参数振动.土木工程学报,2002;10,35(5):28—33
[3] Pinto Da Costa A,Martins J A C,Branco F,et al.Oscillations ofbridge stay cables induced by periodic motions of deck and/or towers.Journal of Engineering Mechanics,1996;122(7):613—620
[4] Tagata G.Harmonically forced finite amplitude vibration of a string.Journal of Sound and Vibration,1997;51(4):483—492
[5]杨素哲,陈艾荣.超长斜拉索的参数振动.同济大学学报(自然科学版),2005;10,33(3):1303—1308
复合斜拉索论文 篇7
PLMD由连接杆、支座、杠杆、转动体、摩擦装置、摩擦外壁、永磁式电涡流阻尼装置等主要部分组成, 连接杆的一端与固定于斜拉索上的索夹相连, 另一端与转动体上部耳板结构铰接。杠杆左端与支座通过转动轴连接, 可绕支座顶转动轴转动, 杠杆右端与摩擦外壳相连。转动体通过轴承环向约束在摩擦外壳内, 可绕自身轴发生面外转动, 转动体下方连接摩擦片, 摩擦片与摩擦外壳的相对摩擦运动可产生面外阻尼。永磁式电涡流阻尼装置右端固定在摩擦外壳左下部, 通过转动轴上的齿轮与支座底部的齿条发生啮合运动, 可将斜拉索的面内振动转化为齿轮绕自身轴的转动, 以此产生电涡流阻尼。减振器支座焊接到桥面板上, 或打膨胀螺栓到混凝土桥面板上。单支点设置使施工期和运营期同时减振成为可能。
该阻尼器由于采用电磁阻尼和摩擦阻尼, 可同时控制拉索的面内振动和面外振动, 且阻尼大小调节方便;阻尼不受温度影响, 减振器主体简洁、美观, 高度在栏杆以下, 不会对桥梁整体景观产生负面影响。
中朝鸭绿江界河公路大桥为主跨636m的半飘浮体系斜拉桥, 主梁为钢箱梁结构, 最长斜拉索400m左右, 该桥桥址位于超低温环境, 风、雨、雪自然环境下拉索较容易发生大幅振动现象, 因此, 必须对斜拉索的振动进行控制, 由于该桥桥址为高寒地区, 地处超低温环境, 对斜拉索外置式阻尼器的阻尼方式提出了较高的挑战和要求, 如目前广泛采用的粘性剪切型阻尼器由于阻尼介质的粘温特性影响较大, 以油阻尼器为依托介质的粘滞阻尼器及磁流变液阻尼器等均因为阻尼介质的温度稳定性问题对斜拉索的振动控制及阻尼器的耐久性带来一系列的问题, 本次研究以中朝鸭绿江界河公路大桥为例, 提出了一种基于永磁式电涡流阻尼方式及摩擦阻尼方式为一体的摆式杠杆质量阻尼器PLMD (Pendulum Lever Mass Damper) , 控制超低温环境下, 斜拉索的大幅振动。
2 基于永磁式电涡流阻尼的面内控制理论分析
2.1 旋转式永磁式电涡流阻尼理论分析
旋转式电磁式阻尼器是一种涡电流阻尼器 (eddy current damper) , 又称为涡电流制动器 (eddy current brake) , 因为是利用磁力的方式产生阻尼力矩, 故具备无摩擦阻尼力、无磨耗、隔绝振动等多项优点, 并且还有可利用调整气隙的方式改变其阻尼力矩大小的好处。
Lenz’s Law提出因电磁感应所产生的感应电流, 其所产生的磁场方向抵抗原来磁场变化的方向。如图2所示, 当金属圆盘在磁场内运动时, 在金属圆盘内即产生涡电流, 此涡电流所产生的感应磁场即会抵抗原磁场磁通量变化。而此涡电流即会与磁场产生电磁力以抵抗金属圆盘和磁场之间的相对运动。
图3为涡电流阻尼器之结构, 阻尼器由三片圆盘所组成, 其中两块外壳为铝, 内部嵌入电工纯铁用来导磁和N、S极交错的磁铁数个, 形成一个沿环向交替变化的电磁场。而中间的为导体盘, 为导磁性良好的导体。
当转动导体盘时, 因为在环向变化的磁场内, 在开始推导其阻尼力矩大小之前, 必须先做以下假设:
(1) 忽略位移电流 (displacement current) 。
(2) 忽略导体的表面效应 (skin effect) 所带来的影响。
图4表示有一个磁感应强度为B的磁场, 而导体在此磁场中旋转。
所有磁铁所产生的阻尼力矩为
其中, Ro为阻尼器中导体的外径, Ri为阻尼器中导体的内径, d为导体的厚度, σ为导体的导电系数。由式 (1) 可知阻尼力矩为负, 即其作用力必为抵抗原来施力之方向, 可将式 (1) 表示为:
其中旋转阻尼系数:
上式中, Cr是装满磁铁后可以达到的最大阻尼系数值, 当该值小于最优阻尼需要, 且阻尼器尺寸等参数无法增大时, 可以增加阻尼器的个数, 此处用n来代表阻尼器的等效个数, 则式 (2) 中Cr最终的表达式为:
根据式 (3) 可知, 阻尼系数Cr分别与导体的导电系数σ的一次方成正比、与导体盘厚度d的一次方成正比、与磁场的磁感应强度B的2次方成正比、并与导体盘的外径和内径的4次方之差成正比, 与阻尼器的等效个数n成正比。常见导体的导电系数σ如表1所示, 综合考虑导体的导电率和价格, 本减振器采用铝为导体盘。
2.2 永磁式电涡流阻尼在PLMD中应用理论研究
永磁式电涡流PLMD的构造图及力学简图如图5所示。
由于式 (2) 中推导出来的阻尼系数为电涡流阻尼的旋转阻尼系数, 而一般在斜拉索振动控制计算中, 需要垂直于斜拉索轴线的线性阻尼力F:
其中, F为减振器连接杆作用到拉索上的线性阻尼力, 而V和co分别表示拉索振动速度和对应的阻尼系数。下面即结合式 (2) 所示力学关系, 推导出阻尼系数co。
连接杆带动杠杆绕支座铰O转动, 转动角速度ωo为:
其中, β为连接杆与拉索的夹角, γ为连接杆与铰连线的夹角。
支座下部固定的齿条是不动的, 即ω1=0, 而电涡流阻尼盘的转动角速度ω2为:
电涡流阻尼盘的阻尼力矩为:
齿条作用在齿轮上的作用力F2为:
取连接杆-杠杆-电磁阻尼系统为隔离体, Fo为连接杆轴向力, F2是由于电磁阻尼而产生的被动阻尼力, 二者对O点的力矩效果是相同的。
将式 (8) 和式 (9) 代入式 (10) , 得到
则
其中, n齿轮放大倍数是指齿条半径与齿轮半径比, 代表了齿轮放大倍数;n杠杆放大倍数是指齿轮和齿条接触面距离支座铰中心距R1与连接杆距离支座铰的臂长R0·sinγ的比值, 代表面内振动控制的杠杆放大倍数。
永磁式电涡流PLMD对于斜拉索而言, 有附加阻尼力、附加惯性力, 无附加刚度项, 附加阻尼系数为 (21) 中的c0值, 即
2.3 斜拉索-电涡流PLMD振动模型
为定量分析PLMD的减振效果, 建立拉索—PLMD数值模型, 计算系统所能达到的对数衰减率, 当对数衰减率达到0.03 (即阻尼比0.5%) 以上, 即可抑制拉索的振动。
选取A19拉索 (边跨最外侧拉索) 对PLMD减振效果进行数值模拟, 其计算参数为索长L=347.614 m, 索截面面积A=0.009737 m2, 索倾角θ=26.105°, 索初拉力H=4449k N, 索单位质量m=81.7 kg/m, 斜拉索安装高度比xd/L=2.6%, 面内减振器杠杆放大倍数为2.447。
采用自编MATLAB程序计算前12阶对数衰减率如图6所示:
如图6所示, 首阶模态由于垂度效应, 其最大对数衰减率一般小于其它阶模态。通过对前12阶加权平均, 选取理论最优阻尼系数为60000, 此时前12阶对应的对数衰减率如图7所示:
各阶对数衰减率的数值如表2所示。
按照以上理论计算结果可知, 当构造上电磁阻尼器能为斜拉索提供等效阻尼系数为60000N·S/m时, A19号斜拉索 (边跨最外侧拉索) 的面内阻尼可以充分满足振动控制的需要。
3 基于摩擦阻尼的面外控制理论分析
基于摩擦阻尼的斜拉索面外振动控制原理与斜拉索面内控制原理相近, 即摩擦阻尼为斜拉索提供一个附加阻尼系数。如图8所示。
同样以鸭绿江界河大桥A19号斜拉索 (边跨最外侧拉索) 为例, 其计算参数为:
索长L=347.614 m, 索截面面积A=0.009737m2, 索倾角θ=26.105°, 索初拉力H=4449 k N, 索单位质量m=81.7 kg/m, 斜拉索安装高度比xd/L=2.6%, 面外齿轮转化系数为5, 则减振器杠杆面外减振放大倍数为1.83, 所用摩擦片的动摩擦系数为0.38。
采用自编MATLAB程序计算前12阶对数衰减率如图9所示。
由图9可知, 首阶模态由于垂度效应, 其最大对数衰减率一般小于其它阶模态。通过对前12阶加权平均, 在考虑减振效果的同时根据实际工程经验, 注意减小摩擦力, 使斜拉索的振动能充分转移至摩擦面, 因此选择最优正压力为1000 N, 减振器共两个摩擦面, 因此弹簧结构的正压力为500 N;此时前12阶对应的对数衰减率如图10所示。
根据以上理论计算结果, 同时考虑减振器在面外控制过程中的结构件的弹性变形造成的减振效果的折减, 可以满足斜拉索面外振动控制的要求。
4 结语
针对鸭绿江大桥处于高寒地区, 环境温度变化幅度大的情况, 首次提出采用永磁式电涡流阻尼对斜拉索进行振动控制, 并进行了系统的理论研究, 在此基础上成功研制了减振效果不随环境温度改变的电磁式PLMD。
摘要：针对鸭绿江大桥处于高寒地区、环境温度变化幅度大的情况, 首次提出采用永磁式电涡流阻尼对斜拉索进行振动控制, 并进行了系统的理论研究, 在此基础上成功研制了减振效果不随环境温度改变的电磁式PLMD, 控制超低温环境下斜拉索的大幅振动。
关键词：斜拉桥,斜拉索,振动,阻尼器,减振技术
参考文献
[1]张武剑, 王波, 杨金保, 等.九江长江公路大桥斜拉索振动特性研究[J].世界桥梁, 2012, 40 (6) :47-51.