本發(fā)明屬于斜拉索振動控制技術領域，具體涉及一種基于剪切增稠液體的高阻尼斜拉索。

背景技術：

自上世紀60年代瑞典的stromsund橋建成以來，斜拉橋由于其具有優(yōu)良的力學性能和優(yōu)美的建筑造型，已經(jīng)作為一種新型的橋梁結構在全世界范圍內(nèi)涌現(xiàn)。且隨著人類社會發(fā)展的需要，斜拉橋的跨度已經(jīng)超越千米，如蘇通大橋(1088m)、昂船洲大橋(1018m)、russkyisland橋(1104m)以及正在建設的滬通長江大橋(1092m)等。隨著斜拉橋跨度的不斷增加，斜拉索也將隨之變得更長、更柔，其振動特性對千米級大跨度斜拉橋的危害性越來越明顯，主要表現(xiàn)在：(1)引起索錨固端產(chǎn)生局部疲勞裂紋，導致拉索失效；(2)加劇主梁的動力響應，影響車輛的正常通行；(3)引起人們對斜拉橋整體穩(wěn)定性和安全性的懷疑。

斜拉索的振動控制通常有被動控制、主動控制和半主動控制，但是最簡單、最易實現(xiàn)、最經(jīng)濟的方式是被動控制。早期的硅油阻尼器出力恒定且較小(粘度大約為10pas)，隨著大跨斜拉橋及其斜拉索的不斷發(fā)展，硅油阻尼器由于缺乏靈活性和對突發(fā)性環(huán)境變化較差的應變能力已由智能材料構成的阻尼器所取代，如電流變液體(erf)，磁流變液體(mrf)、形狀記憶合金(sma)以及壓電材料(pzt)等。然而，由這些智能材料構成的阻尼器其振動控制行為往往取決于外界能量的輸入。以mrf阻尼器為例，其阻尼力的大小取決于外界的磁場變化，且單一的mrf阻尼器所提供的阻尼力和初始剛度比較有限難以滿足大跨度斜拉索減振控制的要求，在快速荷載(如強風，地震)作用下，mrf阻尼器甚至還存在響應時間問題。而剪切增稠流體(stf)材料是一種被動智能材料，具有高度非線性力學性能，當其剪切速率超過某一閾值時，stf依據(jù)其剪切增稠特性瞬間增稠進而消耗能量，且無需外界磁場或電場。因此，基于stf設計制作的斜拉索有望為超長斜拉索的減振控制提供新的思路。

專利號為201410427327.7的發(fā)明專利公開了一種基于碳纖維和鋼絞線的高阻尼復合斜拉索，在芯層和復合層之間填充有粘彈性阻尼材料，復合層由若干復合纖維緊密排列構成，相鄰的復合層之間緊密貼合，復合纖維由一根高強鋼絲六根碳纖維絲制成，六根碳纖維絲包繞在高強鋼絲的外圍，絞合為一體。但是，現(xiàn)有的復合斜拉索在使用時，存在以下缺陷：現(xiàn)有技術中芯層和復合層之間填充有粘彈性阻尼材料，該彈性阻尼材料受環(huán)境溫度、頻率、應變幅值和預壓縮量的影響顯著，比如剪切模量隨著溫度降低快速降低。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中斜拉索在環(huán)境荷載作用下極易發(fā)生的大幅振動行為，本發(fā)明提供一種基于剪切增稠液體的高阻尼的斜拉索，該斜拉索能依據(jù)環(huán)境荷載特征瞬時增大其阻尼，從而抑制斜拉索的大幅振動，并可在荷載消失后，斜拉索恢復初始狀態(tài)，且整個過程無需外界能量輸入，本發(fā)明采用的技術方案是：

本發(fā)明一種基于剪切增稠液體的高阻尼斜拉索，由內(nèi)層到外層依次設置芯層、stf夾層帶、索股層、stf纏包帶、內(nèi)層保護套和外層保護套；所述芯層內(nèi)設置多個索股，相鄰的索股之間充滿stf顆粒，芯層外包覆有stf夾層帶，stf夾層帶外為索股層，stf夾層帶與索股層間隔設置，索股層內(nèi)設置多個索股，相鄰索股之間充滿stf，最外層索股層外設有stf纏包帶，stf纏包帶外層設置內(nèi)層保護套，內(nèi)層保護套外層設置外層保護套。

進一步地，所述stf夾層帶里面填充stf，stf夾層帶至少設置一層。

進一步地，所述stf夾層帶設置多層時，芯層與stf夾層帶之間填充stf。

進一步地，包括芯層、stf纏包帶、內(nèi)層保護套及外層保護套；所述芯層由多個索股構成，相鄰的索股之間充滿stf，stf纏包帶外層設置內(nèi)層保護套，內(nèi)層保護套外層設置外層保護套。

進一步地，所述stf纏包帶為基于stf改性后的高強度聚酯纖維，在纏包時相鄰纏包帶的重疊寬度不小于纏包帶寬度的三分之一。

進一步地，所述夾層帶厚度為0.5mm-2.0mm。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：

1.本發(fā)明利用剪應速率敏感、剪切模量大且瞬時可逆的stf作為斜拉索減振耗能的高阻尼材料；一方面索股之間產(chǎn)生相對運動，stf中納米顆粒增強索股之間的摩擦力；另一方面對內(nèi)部stf產(chǎn)生擠壓，stf瞬時由液相轉變?yōu)轭惞滔啵窗l(fā)生剪切增稠行為，提供附加阻尼力；能有效增加斜拉索的阻尼，從而抑制斜拉索的大幅振動。

2.本發(fā)明具有應用范圍廣，使用率高，對于強、臺風荷載作用下，可通過調(diào)節(jié)stf夾層帶的厚度，使得斜拉索在強、臺風荷載較小時發(fā)生剪切增稠行為，從而消耗振動能量；對于跨度較長的斜拉索，可利用其直徑較大的特點，在芯層外設置多層stf夾層帶，相鄰stf夾層帶間再設置索股層，且索股層的索股間充滿stf，增大其阻尼，從而抑制斜拉索的大幅振動，最終提高橋梁結構的安全性。

3.本發(fā)明在斜拉索發(fā)生振動時，一方面索股之間產(chǎn)生相對運動，stf增強索股之間的摩擦力；二是對stf夾層帶產(chǎn)生擠壓沖擊力，夾層帶里stf瞬時由液相轉變?yōu)楣滔?，即發(fā)生剪切增稠行為，提供附加高阻尼力；三是stf纏包帶具有高阻尼特性。因此本發(fā)明能有效增加斜拉索的阻尼，抑制斜拉索的大幅振動?；谏鲜鋈矫骜詈献饔?，斜拉索阻尼可得到較大的提高，消耗振動能量，從而減小其振動幅值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明斜拉索截面結構示意圖。

圖2為本發(fā)明芯層截面結構示意圖。

圖3為本發(fā)明小直徑斜拉索截面結構示意圖。

圖4為本發(fā)明stf纏包帶材料(基于stf復合的高強度聚酯纖維)。

1-芯層，11-索股，2-stf夾層帶，3-剪切增稠液體stf，4-索股層，5-stf纏包帶，6-內(nèi)層保護套，7-外層保護套。

具體實施方式

本發(fā)明利用新型的智能材料stf具備剪應變率敏感、剪切模量大且瞬時可逆的優(yōu)點，當斜拉索承受高應變率荷載時，stf可以由液相轉變?yōu)楣滔?，stf的剪切模量遠大于其初始狀態(tài)的剪切模量，當斜拉索承受荷載撤銷時，stf可以瞬時由固相轉變?yōu)橐合?，即這種變化是可逆的；利用stf的剪切增稠性能，提高結構阻尼，達到減振的效果。下面結合說明書附圖和實施例對本發(fā)明作進一步闡述。

實施例1：如圖1、圖2所示，本發(fā)明剖面結構示意圖可以看出由內(nèi)層到外層依次設置芯層1、兩層stf夾層帶2(可設置多層)、索股層4、stf纏包帶5、內(nèi)層保護套6和外層保護套7；芯層內(nèi)設置多個索股11，索股11由若干根鍍鋅鋼絞線緊密排列構成，相鄰的索股11之間充滿stf3顆粒；芯層外包覆有兩層高強度聚酯纖維密封剪切增稠液體的stf夾層帶，其厚度帶依據(jù)斜拉索振動控制要求進行設置可為0.5mm-2mm，stf夾層帶沿斜拉索方向纏包時連續(xù)致密排列，纏整齊，無破損；索股層內(nèi)沿stf夾層帶外周設置多個索股，相鄰索股間填充stf，stf夾層帶與索股層間隔設置，最外索股層緊貼設置一層stf纏包帶，纏包帶為stf高強度聚酯纖維，該纖維需經(jīng)過剪切增稠液浸泡并真空干燥處理，纏包帶外緊貼設置內(nèi)層保護套，內(nèi)層保護套外層設置外層保護套。當斜拉索發(fā)生振動時，一是，索股之間產(chǎn)生相對運動，stf顆粒增強索股之間的摩擦力；二是，夾層帶里的stf由于擠壓而被迫使流動，stf瞬時由液相轉變?yōu)楣滔?，即發(fā)生剪切增稠行為，提供附加阻尼力；三是，經(jīng)過stf處理后高強度聚酯纖維纏包帶具有高阻尼特性。上述三者的耦合作用能有效增加斜拉索的阻尼，從而抑制斜拉索的大幅振動。

實施例2：本例與實施例1不同的是，如圖2，圖3所示：對于跨度較小的橋梁，需要設置一種直徑較小基于stf的高阻尼斜拉索，由內(nèi)層到外層依次設置芯層、stf纏包帶層、內(nèi)層保護套以及外層保護套；芯層內(nèi)設置多個索股，索股由若干根鍍鋅鋼絞線緊密排列構成，相鄰的索股之間充滿stf，索股之間產(chǎn)生相對運動，stf的顆粒增強索股之間的摩擦力；芯層外包覆stf纏包帶，芯層與stf纏包帶之間填充stf，stf纏包帶為stf改性后的纏包帶為高強度聚酯纖維，其層數(shù)依據(jù)斜拉索振動控制要求確定，且在纏包時沿纏包方向相鄰，stf纏包帶的重疊寬度不小于其帶寬度的三分之一，要求致密，整齊，無破損。為了保護stf外漏，stf纏包帶外設內(nèi)保護層，內(nèi)保護層帶外層設置外層保護套。

實施例3：本例與實施例1，2不同的是：對于強、臺風作用下，設置一種抑制斜拉索大幅振動的基于stf的高阻尼斜拉索，內(nèi)層到外層依次設置芯層、n層stf夾層帶2、n層索股層、stf纏包帶層、內(nèi)層保護套以及外層保護套；芯層內(nèi)設置多個索股，索股由若干根鍍鋅鋼絞線緊密排列構成，相鄰的索股之間充滿stf，索股之間產(chǎn)生相對運動，stf顆粒增強索股之間的摩擦力；芯層外包覆stf夾層帶，stf夾層帶依據(jù)斜拉索直徑和振動控制要求進行設置可為0.5mm-2mm，芯層與stf夾層帶之間填充stf；當stf夾層帶設置n層時，相鄰兩層stf夾層帶之間設置多個索股，構成索股層，相鄰的索股之間充滿stf；最外索股層緊貼設置stf纏包帶，該纏包帶為stf改性后高強度聚酯纖維，在纏包時沿斜拉索方面方向排列致密，無縫，整齊。為了保護stf外漏，stf纏包帶外設內(nèi)保護層，內(nèi)保護層帶外層設置外層保護套。