本發(fā)明屬于工程結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種阻尼型拉索。

背景技術(shù)：

眾所周知，拉索具有輕質(zhì)、高強等優(yōu)良特性，是一種常見的工程材料，廣泛地應(yīng)用于斜拉橋、懸索橋、塔桅結(jié)構(gòu)等土木工程結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀天線等航天結(jié)構(gòu)。在橋梁工程領(lǐng)域，斜拉索作為主要的承力構(gòu)件廣泛地應(yīng)用于斜拉橋中，其對于斜拉橋的安全性有著至關(guān)重要的地位。然而，作為一種細(xì)長構(gòu)件，拉索的橫向剛度小和自身阻尼小，因此在斜拉橋運營荷載包括車輛荷載、風(fēng)荷載以及風(fēng)雨作用下容易發(fā)生振動。這種大幅度的振動會引起拉索過早的疲勞破壞，或造成拉索與塔梁連接部分的損壞，這些使公眾喪失對橋梁的安全信心。

目前，拉索減振的常用手段包括：(1)附加機械阻尼器減振；(2)空氣動力學(xué)措施；(3)構(gòu)造減振措施。其中：

采用附加機械阻尼器來進(jìn)行拉索減振是最為常見的一種方案，許多建成及在建的斜拉橋的振動控制手段均考慮采用此方案。這一類措施由于采用外部附屬設(shè)備來協(xié)助減振，因此其安裝和替換都較為方便。對于較小跨徑的斜拉橋其控制效果是充分的，但是隨著斜拉橋跨徑的逐漸增大，1400m的斜拉橋的可行性得到認(rèn)可且具有一定的競爭性。而阻尼器的安裝往往受支撐系統(tǒng)限制而只能安裝在近錨固端，隨著拉索長度的增大，其控制效果的局限性也逐漸體現(xiàn)出來。

對于采用空氣動力學(xué)措施來進(jìn)行拉索減振，如采用纏繞螺旋線或壓制表面凹坑等途徑來破壞風(fēng)雨作用下水線的形成和保持，從而抑制了拉索風(fēng)雨振的產(chǎn)生。同樣的措施，還有在一定程度上改變流體繞流候漩渦規(guī)則脫落的條件，從而對渦振幅值減小有一定的效果。這一類構(gòu)造措施的有點體現(xiàn)在其廉價的造價，易于實施，對結(jié)構(gòu)造型影響小，是經(jīng)濟合理的減振方法；但其無法適用于各類拉索振動問題且減振機制的解釋和驗證難以進(jìn)行，缺少通用的設(shè)計準(zhǔn)則，其設(shè)計和使用多依賴于經(jīng)驗和試驗。

采用構(gòu)造減振措施包括了改變整體索面構(gòu)造形式以及改變單根拉索構(gòu)造形式兩個方面。前者包括但不限于借由輔助索形成索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形成，能夠有效地提高拉索的面內(nèi)剛度，減小單根拉索的自由長度，從而提高拉索的自然頻率，使其避開敏感的荷載頻段。另一方面，它能夠通過連接處的摩擦效應(yīng)并提供了連接處能量傳遞耗散的新機制，從而獲得一定程度阻尼的提升。對于索網(wǎng)系統(tǒng)的研究，最初由于其構(gòu)造形式的復(fù)雜性，學(xué)者們采用了有限元方法來進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的行為具有非線性；近年來，相關(guān)的研究主要集中于解析方法。研究發(fā)現(xiàn)輔助索系統(tǒng)存在整體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動的模態(tài)和局部構(gòu)件發(fā)生振動的模態(tài)，這兩種模態(tài)呈“階梯狀”分布，且局部構(gòu)件振動的模態(tài)密集地分布于較小的頻率段內(nèi)。輔助索系統(tǒng)對于局部構(gòu)件發(fā)生振動的模態(tài)的控制力度遠(yuǎn)弱于對整體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動的模態(tài)的控制效果。考慮到索網(wǎng)中輔助索布置方案各異，參數(shù)繁多，如何兼顧索面整體美觀效果和控制效果來實現(xiàn)優(yōu)化布置，仍是個復(fù)雜的問題。

由于輔助索在構(gòu)造上的復(fù)雜性和其控制效果的局限性，使得研究關(guān)注點逐漸轉(zhuǎn)向?qū)τ趩胃鞯难芯可?。主要考慮了拉索材料以及拉索構(gòu)造方法兩個方向上。前者包括了對碳纖維增強材料拉索，記憶合金拉索等，在拉索材料角度上的研究，其意義更多地體現(xiàn)在拉索強度層面而非振動控制層面。對于各類不同材料，其阻尼特性雖然存在一定程度的差異，但其結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼往往不足以對拉索的振動起到有效的控制,使得通過拉索材料特性來獲得有效的振動控制這一研究思路受到限制。在拉索構(gòu)造形式的角度上，有學(xué)者提出了在拉索索套與索體之間填充粘彈性阻尼材料的構(gòu)造形式，這一形式下，由于阻尼材料未能發(fā)生充分的位移來提供足夠的耗能效果，使得這一構(gòu)造形式相比于普通拉索，無法提供更為有效的減振效果；另外也有學(xué)者提出在索體內(nèi)設(shè)置空腔，借由空腔內(nèi)索股對腔體的碰撞來耗能的一個構(gòu)造形式，該構(gòu)造形式能夠?qū)鹘Y(jié)構(gòu)提供充分的附加阻尼，但對這一結(jié)構(gòu)形式，其穩(wěn)定性，耐久性和可實施性等方面的考慮仍是一個待解決的問題。

由此可見，拉索的振動問題是限制斜拉橋跨徑進(jìn)一步增大的一個關(guān)鍵因素，由于外置索端阻尼器在超長索控制效果上的不足以及構(gòu)造措施中輔助索的復(fù)雜性和局限性，考慮從單根拉索的構(gòu)造層面出發(fā)，提出新式的拉索構(gòu)造形式，在保障拉索的基本的承力功能得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提高其自身的耗能效果來實現(xiàn)拉索振動的有效控制，是一個亟待解決且具有廣泛工程意義的研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，現(xiàn)提供一種阻尼型拉索，以有效控制斜拉索振動的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是：提供一種阻尼型拉索，包括不同自振頻率的內(nèi)層拉索以及外層拉索，所述外層拉索套設(shè)于所述內(nèi)層拉索外且在荷載作用下發(fā)生相對運動。

優(yōu)選地，所所述內(nèi)層拉索和所述外層拉索之間填充有阻尼夾芯層。

優(yōu)選地，所述內(nèi)層拉索與所述外層拉索之間填充有拉壓剪夾芯層進(jìn)而控制所述內(nèi)層拉索與所述外層拉索的相對振動。其中，構(gòu)造耗能機理為：內(nèi)層和外層拉索分別采用不同材料、單位長度質(zhì)量的拉索，并施以不同的張拉力，由此可以獲得具有頻率差異的內(nèi)外層拉索。由于自振頻率的差異，實現(xiàn)兩索振型的差異。在外荷載作用下，通過內(nèi)外層拉索之間的相對位移來擠壓，拉伸和剪切阻尼材料，獲得耗能機制，從而實現(xiàn)對拉索振動的控制，其中在滿足使用性能的前提下，隨著內(nèi)外層拉索的頻率差異的增大，兩索的相對運動越大，對阻尼材料的拉伸，擠壓和剪切越充分，其耗能能力越顯著。

優(yōu)選地，所述拉伸夾芯層為粘彈性阻尼材料。

優(yōu)選地，所述內(nèi)層拉索以及所述外層拉索通過不同的索絲材料性質(zhì)、不同的單位長度質(zhì)量和不同的張拉力進(jìn)而來實現(xiàn)不同的自振頻率。

優(yōu)選地，所述內(nèi)層拉索以及所述外層拉索的表面鍍鋅或涂覆環(huán)氧涂層，所述外層拉索的外部套設(shè)有索套，所述索套與所述拉伸夾芯層之間以及所述內(nèi)層拉索的外表面均具有防護層，所述防護層包括高強聚酯帶、hdpe以及隔離層。

優(yōu)選地，隨著所述內(nèi)層拉索與所述外層拉索兩者自振頻率差異的增大，所述內(nèi)層拉索與所述外層拉索之間的相對運動越大，進(jìn)而對所述阻尼材料的拉伸、擠壓和剪切越充分。

優(yōu)選地，隨著所述阻尼材料剛度的減小，所述內(nèi)層拉索與所述外層拉索之間的相對運動越大，進(jìn)而對所述阻尼材料的拉伸、擠壓和剪切越充分。

優(yōu)選地，所述阻尼型拉索的端部設(shè)有拉索錨頭，所述內(nèi)層拉索以及所述外層拉索均延伸緊固于所述拉索錨頭內(nèi)以供適應(yīng)不同的拉索索力和截面受力。

優(yōu)選地，所述拉索錨頭包括連接于所述索套的預(yù)埋管，所述預(yù)埋管的端部固設(shè)有防松機構(gòu)，所述內(nèi)層拉索以及所述外層拉索分別擴散緊固于所述防松機構(gòu)。

優(yōu)選地，所述預(yù)埋管的端部設(shè)有錨板，所述防松機構(gòu)固設(shè)于所述錨板的外側(cè)，所述錨板的內(nèi)側(cè)設(shè)有密封筒，所述密封筒與所述錨板之間夾設(shè)有防腐填充材料，所述內(nèi)層拉索以及所述外層拉索延伸穿過所述防腐填充材料。

本發(fā)明阻尼型拉索的有益效果包括：

1)阻尼夾芯層環(huán)繞拉索分布，在合理配置系統(tǒng)參數(shù)的條件下，可以獲得充分的拉索內(nèi)阻尼來實現(xiàn)拉索面內(nèi)和面外的振動控制；

2)克服了外置阻尼器安裝位置的限制，對于超長斜拉索的振動控制效果充分；

3)克服了外置阻尼器需要定期維護和替換的不足，粘彈性阻尼材料位于拉索內(nèi)部，不易受外部環(huán)境如腐蝕因素的影響，使得其能夠在拉索服役期間保障其控制效果；

4)該振動控制策略為被動控制，不需要額外的能量輸入，相比于半主動控制和主動控制策略具有更穩(wěn)定的控制效果；

5)采用沿拉索連續(xù)分布的阻尼夾芯層，對于各階拉索振動模態(tài)均有較好的控制效果，具有較強的多模態(tài)控制效果；

6)克服了外置阻尼器支撐系統(tǒng)和索網(wǎng)系統(tǒng)對索面美學(xué)構(gòu)造的影響；

7)實現(xiàn)該構(gòu)造的工藝流程較為簡單。在保留絕大部分現(xiàn)有的張拉工藝的基礎(chǔ)上，僅需做出流程上的調(diào)整即可實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明阻尼型拉索的整體剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為對應(yīng)圖1中徑向橫截面的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為對應(yīng)圖1中軸向橫截面的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為對應(yīng)圖3阻尼型拉索的減振效果圖；

圖5為本發(fā)明拉索與現(xiàn)有普通拉索的自由衰減響應(yīng)對比圖；

圖6為本發(fā)明阻尼型拉索端部與拉索錨頭連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為對應(yīng)于圖6中a區(qū)域的放大結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明進(jìn)一步加以說明。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明首先提供了一種阻尼型拉索，拉索由內(nèi)層拉索1、外層拉索2、阻尼夾芯層3和索套4構(gòu)成。其中，內(nèi)外層拉索由平行鋼絲，鉸線或其它抗拉材料構(gòu)成。內(nèi)外層拉索通過鍍鋅或環(huán)氧涂層，高強聚酯帶，hdpe和隔離層等作為防護層5。

細(xì)看圖2和圖3，具體地，將拉索劃分為內(nèi)層和外層拉索，內(nèi)外層拉索之間填充阻尼材料構(gòu)成阻尼夾芯層3。內(nèi)層和外層拉索分別施以不同的張拉力，由此可以獲得具有自振頻率差異的內(nèi)外層拉索。由于自振頻率的差異，導(dǎo)致內(nèi)外層拉索振型的差異。

如圖4所示，在外荷載作用下(此時阻尼材料收到拉壓剪力p)，通過兩索之間的相對位移來擠壓，拉伸和剪切阻尼材料，考慮阻尼材料的耗能機制，實現(xiàn)對拉索振動能量的耗散，從而對拉索的振動起到控制效果。

在實際應(yīng)用中，一般情況下，拉索振動的控制效果以系統(tǒng)所能獲得的模態(tài)阻尼比(或?qū)?shù)衰減率)來衡量。下面以一組具體參數(shù)為例，考查拉索在自由衰減響應(yīng)下的對數(shù)衰減率。并就其所能獲得的控制效果作簡要分析以驗證其可行性。

這里采用的阻尼型拉索參數(shù)為外層和內(nèi)層拉索索力分別為：h1＝951kn、h2＝211kn；拉索長度：l＝50m；外層和內(nèi)層拉索單位長度質(zhì)量及質(zhì)量比：m1＝12.8kg/m、m1/m2＝2；阻尼夾芯層參數(shù)：k＝5000n/m、c＝850n·s/m。并將該參數(shù)下所能獲得的控制效果與普通拉索(參數(shù)為拉索索力：h＝951kn；拉索長度：l＝50m；單位長度質(zhì)量：m＝12.8kg/m)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。通過計算，可知阻尼型拉索能夠獲得8.145％的對數(shù)衰減率，相比于普通拉索的1.729％的對數(shù)衰減率，有明顯的提升。

另外，如圖6所示，所述阻尼型拉索的端部設(shè)有拉索錨頭，所述內(nèi)層拉索1以及所述外層拉索2均延伸緊固于所述拉索錨頭內(nèi)以供適應(yīng)不同的拉索索力和截面受力。

具體地，所述拉索錨頭包括連接于所述索套的預(yù)埋管6，所述預(yù)埋管6的端部固設(shè)有防松機構(gòu)10，所述內(nèi)層拉索1以及所述外層拉索2分別擴散緊固于所述防松機構(gòu)10，所述內(nèi)層拉索1以及所述外層拉索2初始延伸處設(shè)有索夾5。

結(jié)合圖7所示，所述預(yù)埋管6的端部設(shè)有錨板9，所述防松機構(gòu)10固設(shè)于所述錨板9的外側(cè)并設(shè)有保護罩11，所述錨板9的外緣設(shè)有錨墊板8，所述錨板9的內(nèi)側(cè)設(shè)有密封筒7，所述密封筒7與所述錨板9之間夾設(shè)有防腐填充材料12，所述內(nèi)層拉索以及所述外層拉索延伸穿過所述防腐填充材料12。

以此，如圖7中虛線箭頭所示意，通過外層拉索2合理的分散角度設(shè)置，使得錨板9受力均勻，各個分力相互平衡。

在完成上述實施過程后，應(yīng)能體現(xiàn)出本發(fā)明以下特點：

1)頻率不同的內(nèi)外層拉索及其實現(xiàn)手段(不同張拉力、材料和單位長度質(zhì)量)；

2)借由內(nèi)外層拉索的相對運動來擠壓拉伸阻尼材料，實現(xiàn)耗能；

3)兩索的頻率差異越大，相對運動越大，對阻尼材料的拉伸，擠壓和剪切越顯著，振動控制效果越顯著；

上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。