钢管混凝土应力相关非线性材料阻尼研究

本课题在总结和归纳阻尼已有研究的基础上，开展了素混凝土在强迫振动下的轴向滞回试验研究，通过试验获得了应力幅值、加载频率、应力水平与混凝土材料能量损耗及损耗因子的关系，同时给出了建议公式。试验结构表明：混凝土材料的耗能特性与振动的幅值有着明显的正相关性。利用OpenSEES平台，采用双线性钢材本构关系模型、约束混凝土本构模型及混凝土加卸载准则，计算了钢管混凝土轴压构件及压弯构件弹性阶段的单位体积损耗能量，给出了钢管混凝土的应力相关材料阻尼的计算公式，并针对参数敏感性进行了分析。采用解析迭代的方法，给出了钢管混凝土结构应力相关阻尼的求解方法，并对简谐荷载下的混凝土梁和钢管混凝土梁进行了应力相关阻尼比求解。分别采用粘滞阻尼和应力相关阻尼模型对两座钢管混凝土拱桥进行了地震响应分析，计算结果表明采用应力相关阻尼模型计算的地震响应要大于采用粘滞阻尼比为0.05的地震响应。制作了钢管混凝土构件，利用自由衰减的方法进行了考虑徐变因素影响下的阻尼比测试，同时基于复频率等效的方法求解了丫髻沙大桥的模态阻尼比。结合试验和计算的结果，给出了钢管混凝土阻尼比的建议值为0.02-0.03。 2100433B

钢管混凝土具有强度高、抗震性能好等优点，在桥梁、高层建筑中得到广泛应用。目前，由于机理复杂、理论与试验研究困难，对于钢管混凝土阻尼国内外尚无专门研究。在工程抗震分析中，钢管混凝土阻尼比一般取为常数，这将使结构动力分析结果的可靠性受到很大影响。.本项目将针对钢管混凝土的阻尼特性进行研究，首先采用试验方法测定钢管混凝土材料的线性粘滞阻尼和非线性应力相关阻尼。并基于申请者前期建立的应力相关阻尼理论分析方法，给出钢管混凝土材料的线性和非线性阻尼计算公式。通过试验和理论分析，预测钢管混凝土构件损耗因子，并分析相关因素的影响。考虑阻尼非线性对结构动力响应的影响，建立一套完整的应力相关阻尼系统动力响应分析方法，并对钢管混凝土结构地震响应进行分析。该项研究有助于非线性阻尼理论和钢管混凝土结构抗震分析理论的发展及其工程应用，具有很大的挑战性和原始创新性。

阻尼一般可以分为3 类：系统阻尼、结构阻尼以及材料阻尼。系统阻尼是在系统中设置专用阻尼减振器，如减振弹簧、冲击阻尼器等。结构阻尼是在系统的某一振动结构上附加材料或形成附加结构，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机械振动能的能力。与其它两种阻尼相比，材料阻尼是最基本的阻尼形式 ，存在于各种材料之中。 探究材料内部的微观机理，寻求具有高阻尼的材料；在阻尼材料也有着大量的研究，比如像金属橡胶这样的各向异性材料、热熔型阻尼材料、粘滞阻尼材料、各种复合阻尼材料等。总的来说阻尼材料分为粘弹性阻尼材料、高阻尼合金以及复合阻尼材料三种，这些阻尼材料在很多领域都发挥着重要作用。研究材料的阻尼行为，开发具有较高阻尼性能的结构材料，对于解决由振动造成的问题具有十分重要的意义。对结构件的材料阻尼特性进行定量的测量及计算，能够为机械设备的结构设计和生产提供十分重要的参考依据，因此材料阻尼特性测量是减振降噪技术中重要的一个环节。

最常用的材料阻尼测试方法，是参照国标《GBT18258-2000 阻尼材料 阻尼性能测试方法》等阻尼测试标准，将被测材料制作成标准试样，通过激振器等激励手段，激发试样的阻尼振动，获得其共振响应信号，经过数据处理计算出材料阻尼比。材料阻尼测试问题可以归结为系统辨识问题，包括系统、激励和响应三个部分。在材料阻尼测试的问题中，系统即是材料阻尼试样本身，它的阻尼特性参数就是需要识别的系统参数。系统的激励信号由我们给定，通常是瞬态的冲击信号、或者持续激励的扫频信号，激励信号可以通过信号采集直接获得。系统的响应信号就是材料阻尼试样在被激励之后的振动信号，需要使用仪器进行数据采集和数据处理 。

钢管混凝土柱是在钢管内填充混凝土所形成的钢-混凝土组合构件，由于其力学性能优越，在我国城市立交桥、高架桥和高速公路、铁路高架桥中的应用日益增多。在地震作用下，空间布置复杂的梁式桥中剪跨比较小的墩柱由于处于压-弯-剪-扭非线性复合受力状态，其震害严重且修复困难，严重影响震后救援工作。目前关于非线性剪切和扭转复合效应对钢管混凝土柱力学性能的影响研究较少，相关分析理论和设计方法尚需完善。针对上述问题，本项目拟开展钢管混凝土柱在轴力-弯矩-剪力-扭矩复合受荷状态下的拟静力试验，研究其破坏机制和滞回特性，并结合试验结果和理论推导，建立可同时考虑非线性剪切和非线性扭转效应的钢管混凝土非线性杆系模型，然后采用开发的模型对空间布置复杂的钢-混凝土组合结构梁式桥体系进行抗震分析和初步评价。本项目研究成果将有助于完善钢管混凝土的非线性受力机理研究和分析模型。

阻尼绕组电流的间接测量法

受技术条件的限制，人们无法直接测量得到运动状态下的阻尼绕组电流，于是有人提出通过间接测量的方法来对阻尼绕组电流进行研究。在大量的假设前提下，利用电机能够实测得到的直接数据，通过计算而间接地获得了阻尼绕组电流的近似分布。利用这种间接测量法能够定性的研究同步电机在各种工况下的阻尼绕组电流分布以及阻尼绕组电流对电机参数和性能所产生的影响。如在上世纪九十年代的文章中，作者就通过对一台凸极同步电机的测量，分析了定子开槽对阻尼绕组电流所带来的影响。在2011年发表的文章中，作者利用间接测量法研究了阻尼绕组电路对多相同步发电机产生的影响。间接测量法由于建立在大量假设与简化的基础之上，所得结果与实际值必然有所偏差，因此无法准确模拟实际工况，计算结果准确程度不高。于是文章提出了利用无线测量的方法来获得水轮发电机阻尼绕组电流。这种方-法相较间接测量法而言，具有更直接，更准确的优点。但由于必须在发电机阻尼绕组内预先埋置无线电流传感器，因此只能针对特定电机进行分析。

阻尼绕组电流的解析计算法

Walker和Kermis于1960年提出了一种脱离试验的阻尼绕组电流计算方法，在一定假设的基础之上，通过建立电机磁导的全解析数学模型，计算了凸极同步电机在开路状态下的阻尼绕组电流，并分析了在阻尼绕组电流影响下的阻尼绕组所受电磁力谐波。这种解析的方法相对试验法有了很大的进步。利用这种方法，人们可以在发电机的设计过程中预测阻尼绕组电流及其产生的影响，进而对发电机的设计进行优化。发电机交、直轴等效电路的引入，使阻尼绕组电流计算的方法向前迈进了一步。Fuchs与Erdelyi在20世纪70年代陆续发表文章，通过等效电路将包括阻尼绕组在内的发电机各绕组等效成交、直轴两套等效绕组多回路，结合发电机的磁导解析模型，计算了阻尼绕组电流，并研究了阻尼绕组电流对水轮发电机短路电流的影响。Canay于1975年发表文章，利用同样的方法计算了汽轮发电机阻尼绕组电流及其对电机负序运行所产生的影响。同年Neidhoefer与Bose对水轮发电机转子阻尼绕组内的负序电流及其产生的损耗进行了计算与分析。20世纪80年代早期，李哲生学者利用这种交、直轴多回路与电机磁导解析模型相结合方法，计算分析了凸极同步电机的阻尼绕组电流，并研究了阻尼绕组电流对的电机电势与磁势谐波所产生的影响。同一时期，赵凤山与史乃等学者利用这种方法计算了水轮发电机在出现负载突然不对称时的阻尼绕组电流瞬态响应及其引起的温度变化。1990年，KuHg、Buckley、Lambrecht等人以这种等效多回路的方法为基础，提出了一种改进的计算方法，能够对发电机出现各种内、外短路故障或其他一些不正常运行工况时的阻尼绕组电流进行计算Mina M Rahimian分别于2009年和2011年发表文章，以计算阻尼绕组电流的解析法为基础，提出了一种能够用于在线监测同步电机内阻尼绕组故障的方法。文章研究了具有双层阻尼绕组结构凸极同步电动机的解析设计方法。文章提出了一种用于计算同步电机阻尼绕组参数的改进解析法。文章利用旋转磁场解析法计算了大型水轮发电机的阻尼绕组损耗。

解析法的思路主要是采用集中参数的“路”的方法，即假设电流或磁通沿确定的路径流通，将复杂的场的分布现象简化成电路或磁路的问题，并利用电路、磁路理论加以分析和解决。这种方法虽然在一定程度上解决了水轮发电机阻尼绕组电流的计算问题，但由于无法准确考量水轮发电机定子铁心开槽、转子磁极形状以及磁场饱和等因素所产生的影响，因此阻尼绕组电流计算的准确程度不尚。

阻尼绕组电流的数值计算法

早在1873年，Maxwell就己经推导并总结出了用于表征电磁场特征的基本方程组。但对于结构复杂的发电机来说，电机内存在多种形状复杂的导电与导磁媒质，且导磁媒质材料还具有非线性的特点，因此在数值方法出现以前，能够直接用Maxwell方程求解的电磁场问题非常有限。随着数值计算方法中的差分法、积分方程法和有限单元法(又叫有限元法）的陆续出现与引入，许多悬而未决的电机电磁场问题都得到了顺利解决，电机电磁场的研究也取得了极大的进展。其中的有限元法自从被引入电磁场分析领域以来，如今已经成为了电机工程领域内最为有效，应用最为广泛的一种方法。

作为一种数值方法，有限兀法是把变分原理和剖分插值相结合用来求解数理方程的一种方法，适于利用计算机来进行计算。其基本思想于上世纪五十年代被提出，首先应用在力学的研究领域，并在上世纪六十年代中期开始被引入了电机电磁场的研究领域。由于有限元法具有单元剖分灵活、算法统一、通用等特点，因此适用于存在不同媒质、不规则几何形状与边界条件、非线性媒质材料等条件的电机内电磁场，具有稳定性和准确度高等方面的优占1980年，钟永琛学者利用有限元法就同步电机异步起动过程中的阻尼绕组电流分布进行了计算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了电机内由于次谐波的存在而引起的阻尼绕组电流。1994年Toader利用有限元法推导出气隙磁导与磁动势的数学模型，并将其用于发电机阻尼绕组电流的解析计算中，同时计算了电机的空载和负载两种稳态运行工况。较全解析法而言，这种将解析法与有限元法相结合的半解析方法，能够更加准确模拟的定子开槽、磁极形状以及磁场饱和等因素对气隙磁导所产生的影响，使阻尼绕组电流的计算更加准确。同年，Vetter、Reichert同样将解析法与数值法相结合，计算了并网同步电机和外接逆变器的同步电机的阻尼绕组电流。1997年Silvio Ikuyo Nabeta利用有限元法研究了集肤效应对同步电机阻尼绕组电流计算所产生影响。在2002年到2005年之间，Karmaker与Knight先后发表文章，建立包含电机相应横截面上所有阻尼绕组的绕组等效多回路，并称合气隙磁导的有限元数学模型，对阻尼绕组电流及其附加损耗进行了计算。清华大学孙宇光博士利用场路亲合法计算了发电机定子绕组内部短路时的阻尼绕组电流瞬态响应过程。2006年Nica C等人中利用有限元法计算并研究了变频器驱动三相同步电机里的阻尼绕组电流受变频器开关频率谐波所产生的影响。2008年，Keller利用场路称合法计算了转子不平衡运行工况时的阻尼绕组电流。文章釆用解析与数值相结合的方法，计算和分析了大功率凸极同步电机在异步起动过程中的阻尼绕组电流的分布。2009年，文章计算了静止变频器起动的抽水蓄能电站用发电电动机在起动过程中的阻尼绕组电流及损耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 对 Karmaker 与 Knight 的模型作了进一步优化和完善。2012年，文章利用多回路称合有限元的方法，计算了同步发电机发生定子绕组故障时阻尼绕组电流的瞬态响应及其产生的附加损耗。文章分析了凸极发电机转子偏心对阻尼绕组电流及其附加损耗所产生的影响。