阻尼型拉索的制作方法

本发明属于工程结构振动控制技术领域，具体涉及一种阻尼型拉索。

背景技术：

众所周知，拉索具有轻质、高强等优良特性，是一种常见的工程材料，广泛地应用于斜拉桥、悬索桥、塔桅结构等土木工程结构以及网状天线等航天结构。在桥梁工程领域，斜拉索作为主要的承力构件广泛地应用于斜拉桥中，其对于斜拉桥的安全性有着至关重要的地位。然而，作为一种细长构件，拉索的横向刚度小和自身阻尼小，因此在斜拉桥运营荷载包括车辆荷载、风荷载以及风雨作用下容易发生振动。这种大幅度的振动会引起拉索过早的疲劳破坏，或造成拉索与塔梁连接部分的损坏，这些使公众丧失对桥梁的安全信心。

目前，拉索减振的常用手段包括：(1)附加机械阻尼器减振；(2)空气动力学措施；(3)构造减振措施。其中：

采用附加机械阻尼器来进行拉索减振是最为常见的一种方案，许多建成及在建的斜拉桥的振动控制手段均考虑采用此方案。这一类措施由于采用外部附属设备来协助减振，因此其安装和替换都较为方便。对于较小跨径的斜拉桥其控制效果是充分的，但是随着斜拉桥跨径的逐渐增大，1400m的斜拉桥的可行性得到认可且具有一定的竞争性。而阻尼器的安装往往受支撑系统限制而只能安装在近锚固端，随着拉索长度的增大，其控制效果的局限性也逐渐体现出来。

对于采用空气动力学措施来进行拉索减振，如采用缠绕螺旋线或压制表面凹坑等途径来破坏风雨作用下水线的形成和保持，从而抑制了拉索风雨振的产生。同样的措施，还有在一定程度上改变流体绕流候漩涡规则脱落的条件，从而对涡振幅值减小有一定的效果。这一类构造措施的有点体现在其廉价的造价，易于实施，对结构造型影响小，是经济合理的减振方法；但其无法适用于各类拉索振动问题且减振机制的解释和验证难以进行，缺少通用的设计准则，其设计和使用多依赖于经验和试验。

采用构造减振措施包括了改变整体索面构造形式以及改变单根拉索构造形式两个方面。前者包括但不限于借由辅助索形成索网结构。索网结构的形成，能够有效地提高拉索的面内刚度，减小单根拉索的自由长度，从而提高拉索的自然频率，使其避开敏感的荷载频段。另一方面，它能够通过连接处的摩擦效应并提供了连接处能量传递耗散的新机制，从而获得一定程度阻尼的提升。对于索网系统的研究，最初由于其构造形式的复杂性，学者们采用了有限元方法来进行研究，发现该系统的行为具有非线性；近年来，相关的研究主要集中于解析方法。研究发现辅助索系统存在整体结构发生振动的模态和局部构件发生振动的模态，这两种模态呈“阶梯状”分布，且局部构件振动的模态密集地分布于较小的频率段内。辅助索系统对于局部构件发生振动的模态的控制力度远弱于对整体结构发生振动的模态的控制效果。考虑到索网中辅助索布置方案各异，参数繁多，如何兼顾索面整体美观效果和控制效果来实现优化布置，仍是个复杂的问题。

由于辅助索在构造上的复杂性和其控制效果的局限性，使得研究关注点逐渐转向对于单根拉索的研究上。主要考虑了拉索材料以及拉索构造方法两个方向上。前者包括了对碳纤维增强材料拉索，记忆合金拉索等，在拉索材料角度上的研究，其意义更多地体现在拉索强度层面而非振动控制层面。对于各类不同材料，其阻尼特性虽然存在一定程度的差异，但其结构的内阻尼往往不足以对拉索的振动起到有效的控制,使得通过拉索材料特性来获得有效的振动控制这一研究思路受到限制。在拉索构造形式的角度上，有学者提出了在拉索索套与索体之间填充粘弹性阻尼材料的构造形式，这一形式下，由于阻尼材料未能发生充分的位移来提供足够的耗能效果，使得这一构造形式相比于普通拉索，无法提供更为有效的减振效果；另外也有学者提出在索体内设置空腔，借由空腔内索股对腔体的碰撞来耗能的一个构造形式，该构造形式能够对拉索结构提供充分的附加阻尼，但对这一结构形式，其稳定性，耐久性和可实施性等方面的考虑仍是一个待解决的问题。

由此可见，拉索的振动问题是限制斜拉桥跨径进一步增大的一个关键因素，由于外置索端阻尼器在超长索控制效果上的不足以及构造措施中辅助索的复杂性和局限性，考虑从单根拉索的构造层面出发，提出新式的拉索构造形式，在保障拉索的基本的承力功能得以实现的基础上，提高其自身的耗能效果来实现拉索振动的有效控制，是一个亟待解决且具有广泛工程意义的研究。

技术实现要素：

为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种阻尼型拉索，以有效控制斜拉索振动的问题。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：提供一种阻尼型拉索，包括不同自振频率的内层拉索以及外层拉索，所述外层拉索套设于所述内层拉索外且在荷载作用下发生相对运动。

优选地，所所述内层拉索和所述外层拉索之间填充有阻尼夹芯层。

优选地，所述内层拉索与所述外层拉索之间填充有拉压剪夹芯层进而控制所述内层拉索与所述外层拉索的相对振动。其中，构造耗能机理为：内层和外层拉索分别采用不同材料、单位长度质量的拉索，并施以不同的张拉力，由此可以获得具有频率差异的内外层拉索。由于自振频率的差异，实现两索振型的差异。在外荷载作用下，通过内外层拉索之间的相对位移来挤压，拉伸和剪切阻尼材料，获得耗能机制，从而实现对拉索振动的控制，其中在满足使用性能的前提下，随着内外层拉索的频率差异的增大，两索的相对运动越大，对阻尼材料的拉伸，挤压和剪切越充分，其耗能能力越显著。

优选地，所述拉伸夹芯层为粘弹性阻尼材料。

优选地，所述内层拉索以及所述外层拉索通过不同的索丝材料性质、不同的单位长度质量和不同的张拉力进而来实现不同的自振频率。

优选地，所述内层拉索以及所述外层拉索的表面镀锌或涂覆环氧涂层，所述外层拉索的外部套设有索套，所述索套与所述拉伸夹芯层之间以及所述内层拉索的外表面均具有防护层，所述防护层包括高强聚酯带、hdpe以及隔离层。

优选地，随着所述内层拉索与所述外层拉索两者自振频率差异的增大，所述内层拉索与所述外层拉索之间的相对运动越大，进而对所述阻尼材料的拉伸、挤压和剪切越充分。

优选地，随着所述阻尼材料刚度的减小，所述内层拉索与所述外层拉索之间的相对运动越大，进而对所述阻尼材料的拉伸、挤压和剪切越充分。

优选地，所述阻尼型拉索的端部设有拉索锚头，所述内层拉索以及所述外层拉索均延伸紧固于所述拉索锚头内以供适应不同的拉索索力和截面受力。

优选地，所述拉索锚头包括连接于所述索套的预埋管，所述预埋管的端部固设有防松机构，所述内层拉索以及所述外层拉索分别扩散紧固于所述防松机构。

优选地，所述预埋管的端部设有锚板，所述防松机构固设于所述锚板的外侧，所述锚板的内侧设有密封筒，所述密封筒与所述锚板之间夹设有防腐填充材料，所述内层拉索以及所述外层拉索延伸穿过所述防腐填充材料。

本发明阻尼型拉索的有益效果包括：

1)阻尼夹芯层环绕拉索分布，在合理配置系统参数的条件下，可以获得充分的拉索内阻尼来实现拉索面内和面外的振动控制；

2)克服了外置阻尼器安装位置的限制，对于超长斜拉索的振动控制效果充分；

3)克服了外置阻尼器需要定期维护和替换的不足，粘弹性阻尼材料位于拉索内部，不易受外部环境如腐蚀因素的影响，使得其能够在拉索服役期间保障其控制效果；

4)该振动控制策略为被动控制，不需要额外的能量输入，相比于半主动控制和主动控制策略具有更稳定的控制效果；

5)采用沿拉索连续分布的阻尼夹芯层，对于各阶拉索振动模态均有较好的控制效果，具有较强的多模态控制效果；

6)克服了外置阻尼器支撑系统和索网系统对索面美学构造的影响；

7)实现该构造的工艺流程较为简单。在保留绝大部分现有的张拉工艺的基础上，仅需做出流程上的调整即可实现。

附图说明

图1为本发明阻尼型拉索的整体剖视结构示意图；

图2为对应图1中径向横截面的剖视结构示意图；

图3为对应图1中轴向横截面的剖视结构示意图；

图4为对应图3阻尼型拉索的减振效果图；

图5为本发明拉索与现有普通拉索的自由衰减响应对比图；

图6为本发明阻尼型拉索端部与拉索锚头连接结构示意图；

图7为对应于图6中a区域的放大结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。

如图1至图3所示，本发明首先提供了一种阻尼型拉索，拉索由内层拉索1、外层拉索2、阻尼夹芯层3和索套4构成。其中，内外层拉索由平行钢丝，铰线或其它抗拉材料构成。内外层拉索通过镀锌或环氧涂层，高强聚酯带，hdpe和隔离层等作为防护层5。

细看图2和图3，具体地，将拉索划分为内层和外层拉索，内外层拉索之间填充阻尼材料构成阻尼夹芯层3。内层和外层拉索分别施以不同的张拉力，由此可以获得具有自振频率差异的内外层拉索。由于自振频率的差异，导致内外层拉索振型的差异。

如图4所示，在外荷载作用下(此时阻尼材料收到拉压剪力p)，通过两索之间的相对位移来挤压，拉伸和剪切阻尼材料，考虑阻尼材料的耗能机制，实现对拉索振动能量的耗散，从而对拉索的振动起到控制效果。

在实际应用中，一般情况下，拉索振动的控制效果以系统所能获得的模态阻尼比(或对数衰减率)来衡量。下面以一组具体参数为例，考查拉索在自由衰减响应下的对数衰减率。并就其所能获得的控制效果作简要分析以验证其可行性。

这里采用的阻尼型拉索参数为外层和内层拉索索力分别为：h1＝951kn、h2＝211kn；拉索长度：l＝50m；外层和内层拉索单位长度质量及质量比：m1＝12.8kg/m、m1/m2＝2；阻尼夹芯层参数：k＝5000n/m、c＝850n·s/m。并将该参数下所能获得的控制效果与普通拉索(参数为拉索索力：h＝951kn；拉索长度：l＝50m；单位长度质量：m＝12.8kg/m)进行对比，结果如图5所示。通过计算，可知阻尼型拉索能够获得8.145％的对数衰减率，相比于普通拉索的1.729％的对数衰减率，有明显的提升。

另外，如图6所示，所述阻尼型拉索的端部设有拉索锚头，所述内层拉索1以及所述外层拉索2均延伸紧固于所述拉索锚头内以供适应不同的拉索索力和截面受力。

具体地，所述拉索锚头包括连接于所述索套的预埋管6，所述预埋管6的端部固设有防松机构10，所述内层拉索1以及所述外层拉索2分别扩散紧固于所述防松机构10，所述内层拉索1以及所述外层拉索2初始延伸处设有索夹5。

结合图7所示，所述预埋管6的端部设有锚板9，所述防松机构10固设于所述锚板9的外侧并设有保护罩11，所述锚板9的外缘设有锚垫板8，所述锚板9的内侧设有密封筒7，所述密封筒7与所述锚板9之间夹设有防腐填充材料12，所述内层拉索以及所述外层拉索延伸穿过所述防腐填充材料12。

以此，如图7中虚线箭头所示意，通过外层拉索2合理的分散角度设置，使得锚板9受力均匀，各个分力相互平衡。

在完成上述实施过程后，应能体现出本发明以下特点：

1)频率不同的内外层拉索及其实现手段(不同张拉力、材料和单位长度质量)；

2)借由内外层拉索的相对运动来挤压拉伸阻尼材料，实现耗能；

3)两索的频率差异越大，相对运动越大，对阻尼材料的拉伸，挤压和剪切越显著，振动控制效果越显著；

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。