鋼管混凝土應力相關非線性材料阻尼研究

本課題在總結和歸納阻尼已有研究的基礎上，開展了素混凝土在強迫振動下的軸向滯回試驗研究，通過試驗獲得了應力幅值、加載頻率、應力水平與混凝土材料能量損耗及損耗因子的關系，同時給出了建議公式。試驗結構表明：混凝土材料的耗能特性與振動的幅值有著明顯的正相關性。利用OpenSEES平臺，采用雙線性鋼材本構關系模型、約束混凝土本構模型及混凝土加卸載準則，計算了鋼管混凝土軸壓構件及壓彎構件彈性階段的單位體積損耗能量，給出了鋼管混凝土的應力相關材料阻尼的計算公式，并針對參數敏感性進行了分析。采用解析迭代的方法，給出了鋼管混凝土結構應力相關阻尼的求解方法，并對簡諧荷載下的混凝土梁和鋼管混凝土梁進行了應力相關阻尼比求解。分別采用粘滯阻尼和應力相關阻尼模型對兩座鋼管混凝土拱橋進行了地震響應分析，計算結果表明采用應力相關阻尼模型計算的地震響應要大于采用粘滯阻尼比為0.05的地震響應。制作了鋼管混凝土構件，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，同時基于復頻率等效的方法求解了丫髻沙大橋的模態(tài)阻尼比。結合試驗和計算的結果，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用。目前，由于機理復雜、理論與試驗研究困難，對于鋼管混凝土阻尼國內外尚無專門研究。在工程抗震分析中，鋼管混凝土阻尼比一般取為常數，這將使結構動力分析結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力相關阻尼。并基于申請者前期建立的應力相關阻尼理論分析方法，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，預測鋼管混凝土構件損耗因子，并分析相關因素的影響?？紤]阻尼非線性對結構動力響應的影響，建立一套完整的應力相關阻尼系統動力響應分析方法，并對鋼管混凝土結構地震響應進行分析。該項研究有助于非線性阻尼理論和鋼管混凝土結構抗震分析理論的發(fā)展及其工程應用，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：系統阻尼、結構阻尼以及材料阻尼。系統阻尼是在系統中設置專用阻尼減振器，如減振彈簧、沖擊阻尼器等。結構阻尼是在系統的某一振動結構上附加材料或形成附加結構，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、高阻尼合金以及復合阻尼材料三種，這些阻尼材料在很多領域都發(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構材料，對于解決由振動造成的問題具有十分重要的意義。對結構件的材料阻尼特性進行定量的測量及計算，能夠為機械設備的結構設計和生產提供十分重要的參考依據，因此材料阻尼特性測量是減振降噪技術中重要的一個環(huán)節(jié)。

最常用的材料阻尼測試方法，是參照國標《GBT18258-2000 阻尼材料 阻尼性能測試方法》等阻尼測試標準，將被測材料制作成標準試樣，通過激振器等激勵手段，激發(fā)試樣的阻尼振動，獲得其共振響應信號，經過數據處理計算出材料阻尼比。材料阻尼測試問題可以歸結為系統辨識問題，包括系統、激勵和響應三個部分。在材料阻尼測試的問題中，系統即是材料阻尼試樣本身，它的阻尼特性參數就是需要識別的系統參數。系統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。系統的響應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據采集和數據處理 。

鋼管混凝土柱是在鋼管內填充混凝土所形成的鋼-混凝土組合構件，由于其力學性能優(yōu)越，在我國城市立交橋、高架橋和高速公路、鐵路高架橋中的應用日益增多。在地震作用下，空間布置復雜的梁式橋中剪跨比較小的墩柱由于處于壓-彎-剪-扭非線性復合受力狀態(tài)，其震害嚴重且修復困難，嚴重影響震后救援工作。目前關于非線性剪切和扭轉復合效應對鋼管混凝土柱力學性能的影響研究較少，相關分析理論和設計方法尚需完善。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，并結合試驗結果和理論推導，建立可同時考慮非線性剪切和非線性扭轉效應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雜的鋼-混凝土組合結構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。在大量的假設前提下，利用電機能夠實測得到的直接數據，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和性能所產生的影響。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)電機產生的影響。間接測量法由于建立在大量假設與簡化的基礎之上，所得結果與實際值必然有所偏差，因此無法準確模擬實際工況，計算結果準確程度不高。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，更準確的優(yōu)點。但由于必須在發(fā)電機阻尼繞組內預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，在一定假設的基礎之上，通過建立電機磁導的全解析數學模型，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)電機的設計過程中預測阻尼繞組電流及其產生的影響，進而對發(fā)電機的設計進行優(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的發(fā)電機各繞組等效成交、直軸兩套等效繞組多回路，結合發(fā)電機的磁導解析模型，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生的影響。同年Neidhoefer與Bose對水輪發(fā)電機轉子阻尼繞組內的負序電流及其產生的損耗進行了計算與分析。20世紀80年代早期，李哲生學者利用這種交、直軸多回路與電機磁導解析模型相結合方法，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生的影響。同一時期，趙鳳山與史乃等學者利用這種方法計算了水輪發(fā)電機在出現負載突然不對稱時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應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，提出了一種改進的計算方法，能夠對發(fā)電機出現各種內、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，提出了一種能夠用于在線監(jiān)測同步電機內阻尼繞組故障的方法。文章研究了具有雙層阻尼繞組結構凸極同步電動機的解析設計方法。文章提出了一種用于計算同步電機阻尼繞組參數的改進解析法。文章利用旋轉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的“路”的方法，即假設電流或磁通沿確定的路徑流通，將復雜的場的分布現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，但由于無法準確考量水輪發(fā)電機定子鐵心開槽、轉子磁極形狀以及磁場飽和等因素所產生的影響，因此阻尼繞組電流計算的準確程度不尚。

阻尼繞組電流的數值計算法

早在1873年，Maxwell就己經推導并總結出了用于表征電磁場特征的基本方程組。但對于結構復雜的發(fā)電機來說，電機內存在多種形狀復雜的導電與導磁媒質，且導磁媒質材料還具有非線性的特點，因此在數值方法出現以前，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域以來，如今已經成為了電機工程領域內最為有效，應用最為廣泛的一種方法。

作為一種數值方法，有限兀法是把變分原理和剖分插值相結合用來求解數理方程的一種方法，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，首先應用在力學的研究領域，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域。由于有限元法具有單元剖分靈活、算法統一、通用等特點，因此適用于存在不同媒質、不規(guī)則幾何形狀與邊界條件、非線性媒質材料等條件的電機內電磁場，具有穩(wěn)定性和準確度高等方面的優(yōu)占1980年，鐘永琛學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利用有限元法推導出氣隙磁導與磁動勢的數學模型，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合的半解析方法，能夠更加準確模擬的定子開槽、磁極形狀以及磁場飽和等因素對氣隙磁導所產生的影響，使阻尼繞組電流的計算更加準確。同年，Vetter、Reichert同樣將解析法與數值法相結合，計算了并網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對同步電機阻尼繞組電流計算所產生影響。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，并稱合氣隙磁導的有限元數學模型，對阻尼繞組電流及其附加損耗進行了計算。清華大學孫宇光博士利用場路親合法計算了發(fā)電機定子繞組內部短路時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應過程。2006年Nica C等人中利用有限元法計算并研究了變頻器驅動三相同步電機里的阻尼繞組電流受變頻器開關頻率諧波所產生的影響。2008年，Keller利用場路稱合法計算了轉子不平衡運行工況時的阻尼繞組電流。文章釆用解析與數值相結合的方法，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)響應及其產生的附加損耗。文章分析了凸極發(fā)電機轉子偏心對阻尼繞組電流及其附加損耗所產生的影響。