基于結(jié)構(gòu)振動特性對支架失穩(wěn)研究

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1、基于結(jié)構(gòu)振動特性對支架失穩(wěn)研究　　摘要：本文根據(jù)結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定性的相關(guān)性，以振動頻率測試值作為監(jiān)控參數(shù)進行了鋼管支架失穩(wěn)狀態(tài)的監(jiān)測分析。根據(jù)受有軸向力作用受壓柱的固有振動分析，得出其固有頻率與軸向力之間的關(guān)系，由此可以根據(jù)結(jié)構(gòu)振動特性與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)之間的關(guān)系，對比當前所測的結(jié)構(gòu)一階固有頻率及振型與原來的頻率及振型之間的差別來判斷支架結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)。如果一階固有振動頻率下降很快超出了在監(jiān)控系統(tǒng)中事先確定的報警范圍或趨向于零，就可認為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生了變化，從而發(fā)出失穩(wěn)警報。關(guān)鍵詞：滿堂支架；固有頻率；穩(wěn)定性；失穩(wěn)監(jiān)測中圖分類號：TU318文獻標識碼：A文章編號

2、：引言6隨著交通多元化發(fā)展和交通流量日益增大，我國公路立體交叉，跨線橋等越來越多，橋梁的建造與日俱增，對于預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆梁橋及連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段等，在施工方法上多采用滿堂鋼管支架現(xiàn)澆的工藝，滿堂鋼管支架得到了廣泛的應(yīng)用。目前，鋼管支架作為臨時結(jié)構(gòu)，大都由施工單位自己設(shè)計，沒有專門的設(shè)計單位提供設(shè)計圖。施工單位因技術(shù)力量及本身的重視程度不夠，往往根據(jù)工程情況和工程經(jīng)驗進行簡單設(shè)計或不設(shè)計；即使進行了支架設(shè)計，不像永久工程結(jié)構(gòu)那樣嚴格地按照設(shè)計圖紙施工，搭設(shè)使用，監(jiān)督管理等環(huán)節(jié)都有很大的隨意性。在公路建設(shè)《鋼管滿堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T194-2009

3、)中，對支架預(yù)壓的荷載標準、預(yù)壓的方式等有了明確規(guī)定，但專門針對滿堂鋼管支架體系的檢測、監(jiān)測和控制研究還不夠成熟。由此，便會導致在混凝土澆筑期滿堂支架的安全問題，施工中存在相當大的事故隱患，這就需要對施工中滿堂支架做出安全監(jiān)控。鑒于上述情況，本文根據(jù)受有軸向力作用的鉸接受壓柱模型，作出公式推導，得出結(jié)構(gòu)振動特性與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)之間的關(guān)系。根據(jù)實際工程中測得的結(jié)構(gòu)一階固有頻率及振型，與原來結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型作對比，來判斷支架結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)。一、鋼管結(jié)構(gòu)失穩(wěn)監(jiān)測的方法1.雙鋼管結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)監(jiān)測中的應(yīng)用雙鋼管失穩(wěn)監(jiān)控部件是內(nèi)外層有間隙的抑制屈曲支撐在功能和構(gòu)造方面的

4、推廣。當構(gòu)件承受的軸壓力達到一定值時，內(nèi)鋼管將失穩(wěn)發(fā)生彎曲，與外鋼管內(nèi)壁接觸后橫向變形受到抑制，從而抑制內(nèi)鋼管失穩(wěn)的進一步發(fā)展。在外鋼管內(nèi)壁適當位置布置接觸傳感器，當內(nèi)鋼管發(fā)生彎曲與外鋼管內(nèi)壁接觸時，觸發(fā)失穩(wěn)預(yù)警裝置。利用這一原理，就可能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)監(jiān)測和控制集成化。62.利用應(yīng)變和位移傳感器進行穩(wěn)定監(jiān)測結(jié)構(gòu)或構(gòu)件從加載開始直到喪失穩(wěn)定性而發(fā)生破壞的過程，其剛度將發(fā)生規(guī)律性的變化。伴隨著結(jié)構(gòu)剛度的變化，其變形也會表現(xiàn)出某種規(guī)律性的變化，包括變形與荷載之間的規(guī)律性變化、變形與時間之間的規(guī)律性變化、加載響應(yīng)比的規(guī)律性變化等。若在結(jié)構(gòu)實際工作的過程中，能夠?qū)Y(jié)

5、構(gòu)的變形進行實時監(jiān)測，通過變形的變化趨勢，就可判斷出結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的變形監(jiān)測。支架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞往往是一個緩慢的過程，短期的監(jiān)測可能無法發(fā)現(xiàn)，必須長期監(jiān)測才可以發(fā)現(xiàn)。通過在支架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件或關(guān)鍵部位安裝應(yīng)變和位移傳感器，長期監(jiān)測整個支架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件或關(guān)鍵部位受力后應(yīng)變、位移狀況，能夠及時準確地了解支架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件或關(guān)鍵部位應(yīng)變、位移值及其變化趨勢，為支架結(jié)構(gòu)查找失穩(wěn)隱患，并為其整改加固提供依據(jù)。3.結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的熱紅外監(jiān)測研究表明鋼材發(fā)生塑性變形時，由于其內(nèi)部晶格的變化，將導致輻射溫度的快速上升。利用結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的紅外熱像及紅外幅射溫

6、度特征，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的失穩(wěn)搖控監(jiān)測。二.基于振動特性的支架失穩(wěn)監(jiān)測原理1.工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可用結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(主要是自振頻率和振型)6進行描述。結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)反映了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布狀況，從結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)發(fā)生的變化，可以定性或定量地判別結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)的改變。根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的振動特性與其穩(wěn)定之間的相互關(guān)系，通過一定的監(jiān)測方法從實際結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中提取反映其振動特性變化的參數(shù)，從該參數(shù)的變化趨勢或變化值就可以判斷結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)的振動監(jiān)測。2.結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定性的相關(guān)性的動力學本質(zhì)受有軸向力作用的受壓柱的模型如圖1所示。假設(shè)柱單位

7、長度上質(zhì)量為常量，抗彎剛度為常量。該柱的動撓度為（1）其中為振型函數(shù)。該柱的固有振動方程為（2）將（1）式代入（2）式得（3）根據(jù)（3）式可以求得該柱振動的振型函數(shù)為（4）其中，四個常數(shù)（=1,2,3,4）由邊界條件確定。，其中，，并且（5）圖1（6）邊界條件為；，代入上式分別求得；求得頻率方程為（7）6即（8）又（9）綜上可得結(jié)構(gòu)振動頻率與軸向壓力之間的關(guān)系為（10）其中，為歐拉臨界荷載。結(jié)論：（1）結(jié)構(gòu)自振頻率與其所受載荷的大小有關(guān)，對于單個桿件或單個構(gòu)件，隨著所受載荷P的增加，一階固有頻率在下降；當接近于屈曲失穩(wěn)，即達到歐拉臨界荷載時，一階固有頻率

8、急劇下降，失穩(wěn)時，一階固有頻率下降到0。（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的振動特性與其穩(wěn)定性