鋼管混凝土應(yīng)力相關(guān)非線性材料阻尼研究

本課題在總結(jié)和歸納阻尼已有研究的基礎(chǔ)上，開展了素混凝土在強迫振動下的軸向滯回試驗研究，通過試驗獲得了應(yīng)力幅值、加載頻率、應(yīng)力水平與混凝土材料能量損耗及損耗因子的關(guān)系，同時給出了建議公式。試驗結(jié)構(gòu)表明：混凝土材料的耗能特性與振動的幅值有著明顯的正相關(guān)性。利用OpenSEES平臺，采用雙線性鋼材本構(gòu)關(guān)系模型、約束混凝土本構(gòu)模型及混凝土加卸載準(zhǔn)則，計算了鋼管混凝土軸壓構(gòu)件及壓彎構(gòu)件彈性階段的單位體積損耗能量，給出了鋼管混凝土的應(yīng)力相關(guān)材料阻尼的計算公式，并針對參數(shù)敏感性進行了分析。采用解析迭代的方法，給出了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力相關(guān)阻尼的求解方法，并對簡諧荷載下的混凝土梁和鋼管混凝土梁進行了應(yīng)力相關(guān)阻尼比求解。分別采用粘滯阻尼和應(yīng)力相關(guān)阻尼模型對兩座鋼管混凝土拱橋進行了地震響應(yīng)分析，計算結(jié)果表明采用應(yīng)力相關(guān)阻尼模型計算的地震響應(yīng)要大于采用粘滯阻尼比為0.05的地震響應(yīng)。制作了鋼管混凝土構(gòu)件，利用自由衰減的方法進行了考慮徐變因素影響下的阻尼比測試，同時基于復(fù)頻率等效的方法求解了丫髻沙大橋的模態(tài)阻尼比。結(jié)合試驗和計算的結(jié)果，給出了鋼管混凝土阻尼比的建議值為0.02-0.03。 2100433B

鋼管混凝土具有強度高、抗震性能好等優(yōu)點，在橋梁、高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。目前，由于機理復(fù)雜、理論與試驗研究困難，對于鋼管混凝土阻尼國內(nèi)外尚無專門研究。在工程抗震分析中，鋼管混凝土阻尼比一般取為常數(shù)，這將使結(jié)構(gòu)動力分析結(jié)果的可靠性受到很大影響。.本項目將針對鋼管混凝土的阻尼特性進行研究，首先采用試驗方法測定鋼管混凝土材料的線性粘滯阻尼和非線性應(yīng)力相關(guān)阻尼。并基于申請者前期建立的應(yīng)力相關(guān)阻尼理論分析方法，給出鋼管混凝土材料的線性和非線性阻尼計算公式。通過試驗和理論分析，預(yù)測鋼管混凝土構(gòu)件損耗因子，并分析相關(guān)因素的影響。考慮阻尼非線性對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，建立一套完整的應(yīng)力相關(guān)阻尼系統(tǒng)動力響應(yīng)分析方法，并對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進行分析。該項研究有助于非線性阻尼理論和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震分析理論的發(fā)展及其工程應(yīng)用，具有很大的挑戰(zhàn)性和原始創(chuàng)新性。

阻尼一般可以分為3 類：系統(tǒng)阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼以及材料阻尼。系統(tǒng)阻尼是在系統(tǒng)中設(shè)置專用阻尼減振器，如減振彈簧、沖擊阻尼器等。結(jié)構(gòu)阻尼是在系統(tǒng)的某一振動結(jié)構(gòu)上附加材料或形成附加結(jié)構(gòu)，增加自身的阻尼能力。材料阻尼是材料本身所具有的阻尼特性，它代表了依靠材料本身的阻尼特性消耗機械振動能的能力。與其它兩種阻尼相比，材料阻尼是最基本的阻尼形式 ，存在于各種材料之中。 探究材料內(nèi)部的微觀機理，尋求具有高阻尼的材料；在阻尼材料也有著大量的研究，比如像金屬橡膠這樣的各向異性材料、熱熔型阻尼材料、粘滯阻尼材料、各種復(fù)合阻尼材料等?？偟膩碚f阻尼材料分為粘彈性阻尼材料、高阻尼合金以及復(fù)合阻尼材料三種，這些阻尼材料在很多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。研究材料的阻尼行為，開發(fā)具有較高阻尼性能的結(jié)構(gòu)材料，對于解決由振動造成的問題具有十分重要的意義。對結(jié)構(gòu)件的材料阻尼特性進行定量的測量及計算，能夠為機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)提供十分重要的參考依據(jù)，因此材料阻尼特性測量是減振降噪技術(shù)中重要的一個環(huán)節(jié)。

最常用的材料阻尼測試方法，是參照國標(biāo)《GBT18258-2000 阻尼材料 阻尼性能測試方法》等阻尼測試標(biāo)準(zhǔn)，將被測材料制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣，通過激振器等激勵手段，激發(fā)試樣的阻尼振動，獲得其共振響應(yīng)信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出材料阻尼比。材料阻尼測試問題可以歸結(jié)為系統(tǒng)辨識問題，包括系統(tǒng)、激勵和響應(yīng)三個部分。在材料阻尼測試的問題中，系統(tǒng)即是材料阻尼試樣本身，它的阻尼特性參數(shù)就是需要識別的系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)的激勵信號由我們給定，通常是瞬態(tài)的沖擊信號、或者持續(xù)激勵的掃頻信號，激勵信號可以通過信號采集直接獲得。系統(tǒng)的響應(yīng)信號就是材料阻尼試樣在被激勵之后的振動信號，需要使用儀器進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理 。

鋼管混凝土柱是在鋼管內(nèi)填充混凝土所形成的鋼-混凝土組合構(gòu)件，由于其力學(xué)性能優(yōu)越，在我國城市立交橋、高架橋和高速公路、鐵路高架橋中的應(yīng)用日益增多。在地震作用下，空間布置復(fù)雜的梁式橋中剪跨比較小的墩柱由于處于壓-彎-剪-扭非線性復(fù)合受力狀態(tài)，其震害嚴重且修復(fù)困難，嚴重影響震后救援工作。目前關(guān)于非線性剪切和扭轉(zhuǎn)復(fù)合效應(yīng)對鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響研究較少，相關(guān)分析理論和設(shè)計方法尚需完善。針對上述問題，本項目擬開展鋼管混凝土柱在軸力-彎矩-剪力-扭矩復(fù)合受荷狀態(tài)下的擬靜力試驗，研究其破壞機制和滯回特性，并結(jié)合試驗結(jié)果和理論推導(dǎo)，建立可同時考慮非線性剪切和非線性扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的鋼管混凝土非線性桿系模型，然后采用開發(fā)的模型對空間布置復(fù)雜的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁式橋體系進行抗震分析和初步評價。本項目研究成果將有助于完善鋼管混凝土的非線性受力機理研究和分析模型。

阻尼繞組電流的間接測量法

受技術(shù)條件的限制，人們無法直接測量得到運動狀態(tài)下的阻尼繞組電流，于是有人提出通過間接測量的方法來對阻尼繞組電流進行研究。在大量的假設(shè)前提下，利用電機能夠?qū)崪y得到的直接數(shù)據(jù)，通過計算而間接地獲得了阻尼繞組電流的近似分布。利用這種間接測量法能夠定性的研究同步電機在各種工況下的阻尼繞組電流分布以及阻尼繞組電流對電機參數(shù)和性能所產(chǎn)生的影響。如在上世紀九十年代的文章中，作者就通過對一臺凸極同步電機的測量，分析了定子開槽對阻尼繞組電流所帶來的影響。在2011年發(fā)表的文章中，作者利用間接測量法研究了阻尼繞組電路對多相同步發(fā)電機產(chǎn)生的影響。間接測量法由于建立在大量假設(shè)與簡化的基礎(chǔ)之上，所得結(jié)果與實際值必然有所偏差，因此無法準(zhǔn)確模擬實際工況，計算結(jié)果準(zhǔn)確程度不高。于是文章提出了利用無線測量的方法來獲得水輪發(fā)電機阻尼繞組電流。這種方-法相較間接測量法而言，具有更直接，更準(zhǔn)確的優(yōu)點。但由于必須在發(fā)電機阻尼繞組內(nèi)預(yù)先埋置無線電流傳感器，因此只能針對特定電機進行分析。

阻尼繞組電流的解析計算法

Walker和Kermis于1960年提出了一種脫離試驗的阻尼繞組電流計算方法，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)之上，通過建立電機磁導(dǎo)的全解析數(shù)學(xué)模型，計算了凸極同步電機在開路狀態(tài)下的阻尼繞組電流，并分析了在阻尼繞組電流影響下的阻尼繞組所受電磁力諧波。這種解析的方法相對試驗法有了很大的進步。利用這種方法，人們可以在發(fā)電機的設(shè)計過程中預(yù)測阻尼繞組電流及其產(chǎn)生的影響，進而對發(fā)電機的設(shè)計進行優(yōu)化。發(fā)電機交、直軸等效電路的引入，使阻尼繞組電流計算的方法向前邁進了一步。Fuchs與Erdelyi在20世紀70年代陸續(xù)發(fā)表文章，通過等效電路將包括阻尼繞組在內(nèi)的發(fā)電機各繞組等效成交、直軸兩套等效繞組多回路，結(jié)合發(fā)電機的磁導(dǎo)解析模型，計算了阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對水輪發(fā)電機短路電流的影響。Canay于1975年發(fā)表文章，利用同樣的方法計算了汽輪發(fā)電機阻尼繞組電流及其對電機負序運行所產(chǎn)生的影響。同年Neidhoefer與Bose對水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子阻尼繞組內(nèi)的負序電流及其產(chǎn)生的損耗進行了計算與分析。20世紀80年代早期，李哲生學(xué)者利用這種交、直軸多回路與電機磁導(dǎo)解析模型相結(jié)合方法，計算分析了凸極同步電機的阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對的電機電勢與磁勢諧波所產(chǎn)生的影響。同一時期，趙鳳山與史乃等學(xué)者利用這種方法計算了水輪發(fā)電機在出現(xiàn)負載突然不對稱時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)及其引起的溫度變化。1990年，KuHg、Buckley、Lambrecht等人以這種等效多回路的方法為基礎(chǔ)，提出了一種改進的計算方法，能夠?qū)Πl(fā)電機出現(xiàn)各種內(nèi)、外短路故障或其他一些不正常運行工況時的阻尼繞組電流進行計算Mina M Rahimian分別于2009年和2011年發(fā)表文章，以計算阻尼繞組電流的解析法為基礎(chǔ)，提出了一種能夠用于在線監(jiān)測同步電機內(nèi)阻尼繞組故障的方法。文章研究了具有雙層阻尼繞組結(jié)構(gòu)凸極同步電動機的解析設(shè)計方法。文章提出了一種用于計算同步電機阻尼繞組參數(shù)的改進解析法。文章利用旋轉(zhuǎn)磁場解析法計算了大型水輪發(fā)電機的阻尼繞組損耗。

解析法的思路主要是采用集中參數(shù)的“路”的方法，即假設(shè)電流或磁通沿確定的路徑流通，將復(fù)雜的場的分布現(xiàn)象簡化成電路或磁路的問題，并利用電路、磁路理論加以分析和解決。這種方法雖然在一定程度上解決了水輪發(fā)電機阻尼繞組電流的計算問題，但由于無法準(zhǔn)確考量水輪發(fā)電機定子鐵心開槽、轉(zhuǎn)子磁極形狀以及磁場飽和等因素所產(chǎn)生的影響，因此阻尼繞組電流計算的準(zhǔn)確程度不尚。

阻尼繞組電流的數(shù)值計算法

早在1873年，Maxwell就己經(jīng)推導(dǎo)并總結(jié)出了用于表征電磁場特征的基本方程組。但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)電機來說，電機內(nèi)存在多種形狀復(fù)雜的導(dǎo)電與導(dǎo)磁媒質(zhì)，且導(dǎo)磁媒質(zhì)材料還具有非線性的特點，因此在數(shù)值方法出現(xiàn)以前，能夠直接用Maxwell方程求解的電磁場問題非常有限。隨著數(shù)值計算方法中的差分法、積分方程法和有限單元法(又叫有限元法）的陸續(xù)出現(xiàn)與引入，許多懸而未決的電機電磁場問題都得到了順利解決，電機電磁場的研究也取得了極大的進展。其中的有限元法自從被引入電磁場分析領(lǐng)域以來，如今已經(jīng)成為了電機工程領(lǐng)域內(nèi)最為有效，應(yīng)用最為廣泛的一種方法。

作為一種數(shù)值方法，有限兀法是把變分原理和剖分插值相結(jié)合用來求解數(shù)理方程的一種方法，適于利用計算機來進行計算。其基本思想于上世紀五十年代被提出，首先應(yīng)用在力學(xué)的研究領(lǐng)域，并在上世紀六十年代中期開始被引入了電機電磁場的研究領(lǐng)域。由于有限元法具有單元剖分靈活、算法統(tǒng)一、通用等特點，因此適用于存在不同媒質(zhì)、不規(guī)則幾何形狀與邊界條件、非線性媒質(zhì)材料等條件的電機內(nèi)電磁場，具有穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度高等方面的優(yōu)占1980年，鐘永琛學(xué)者利用有限元法就同步電機異步起動過程中的阻尼繞組電流分布進行了計算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了電機內(nèi)由于次諧波的存在而引起的阻尼繞組電流。1994年Toader利用有限元法推導(dǎo)出氣隙磁導(dǎo)與磁動勢的數(shù)學(xué)模型，并將其用于發(fā)電機阻尼繞組電流的解析計算中，同時計算了電機的空載和負載兩種穩(wěn)態(tài)運行工況。較全解析法而言，這種將解析法與有限元法相結(jié)合的半解析方法，能夠更加準(zhǔn)確模擬的定子開槽、磁極形狀以及磁場飽和等因素對氣隙磁導(dǎo)所產(chǎn)生的影響，使阻尼繞組電流的計算更加準(zhǔn)確。同年，Vetter、Reichert同樣將解析法與數(shù)值法相結(jié)合，計算了并網(wǎng)同步電機和外接逆變器的同步電機的阻尼繞組電流。1997年Silvio Ikuyo Nabeta利用有限元法研究了集膚效應(yīng)對同步電機阻尼繞組電流計算所產(chǎn)生影響。在2002年到2005年之間，Karmaker與Knight先后發(fā)表文章，建立包含電機相應(yīng)橫截面上所有阻尼繞組的繞組等效多回路，并稱合氣隙磁導(dǎo)的有限元數(shù)學(xué)模型，對阻尼繞組電流及其附加損耗進行了計算。清華大學(xué)孫宇光博士利用場路親合法計算了發(fā)電機定子繞組內(nèi)部短路時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)過程。2006年Nica C等人中利用有限元法計算并研究了變頻器驅(qū)動三相同步電機里的阻尼繞組電流受變頻器開關(guān)頻率諧波所產(chǎn)生的影響。2008年，Keller利用場路稱合法計算了轉(zhuǎn)子不平衡運行工況時的阻尼繞組電流。文章釆用解析與數(shù)值相結(jié)合的方法，計算和分析了大功率凸極同步電機在異步起動過程中的阻尼繞組電流的分布。2009年，文章計算了靜止變頻器起動的抽水蓄能電站用發(fā)電電動機在起動過程中的阻尼繞組電流及損耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 對 Karmaker 與 Knight 的模型作了進一步優(yōu)化和完善。2012年，文章利用多回路稱合有限元的方法，計算了同步發(fā)電機發(fā)生定子繞組故障時阻尼繞組電流的瞬態(tài)響應(yīng)及其產(chǎn)生的附加損耗。文章分析了凸極發(fā)電機轉(zhuǎn)子偏心對阻尼繞組電流及其附加損耗所產(chǎn)生的影響。