技术领域
[0001] 本
发明属于斜拉索振动控制技术领域，具体涉及一种基于剪切增稠液体的高阻尼斜拉索。
背景技术
[0002] 自上世纪60年代瑞典的Stromsund桥建成以来，
斜拉桥由于其具有优良的
力学性能和优美的建筑造型，已经作为一种新型的
桥梁结构在全世界范围内涌现。且随着人类社会发展的需要，斜拉桥的跨度已经超越千米，如苏通大桥(1088m)、昂船洲大桥(1018m)、Russky Island桥(1104m)以及正在建设的沪通长江大桥(1092m)等。随着斜拉
桥跨度的不断增加，斜拉索也将随之变得更长、更柔，其振动特性对千米级大跨度斜拉桥的危害性越来越明显，主要表现在：(1)引起索锚固端产生局部疲劳裂纹，导致拉索失效；(2)加剧主梁的动力响应，影响车辆的正常通行；(3)引起人们对斜拉桥整体
稳定性和安全性的怀疑。
[0003] 斜拉索的振动控制通常有被动控制、主动控制和半主动控制，但是最简单、最易实现、最经济的方式是被动控制。早期的
硅油阻尼器出力恒定且较小(
粘度大约为10Pas)，随着大跨斜拉桥及其斜拉索的不断发展，硅油阻尼器由于缺乏灵活性和对突发性环境变化较差的应变能力已由智能材料构成的阻尼器所取代，如
电流变液体(ERF)，
磁流变液体(MRF)、形状记忆
合金(SMA)以及压电材料(PZT)等。然而，由这些智能材料构成的阻尼器其振动控制行为往往取决于外界
能量的输入。以MRF阻尼器为例，其阻尼力的大小取决于外界的
磁场变化，且单一的MRF阻尼器所提供的阻尼力和初始
刚度比较有限难以满足大跨度斜拉索减振控制的要求，在快速荷载(如强
风，
地震)作用下，MRF阻尼器甚至还存在响应时间问题。而剪切增稠
流体(STF)材料是一种被动智能材料，具有高度非线性力学性能，当其
剪切速率超过某一
阈值时，STF依据其剪切增稠特性瞬间增稠进而消耗能量，且无需外界磁场或
电场。因此，基于STF设计制作的斜拉索有望为超长斜拉索的减振控制提供新的思路。
[0004]
专利号为201410427327.7的发明专利公开了一种基于
碳纤维和
钢绞线的高阻尼复合斜拉索，在芯层和复合层之间填充有粘弹性阻尼材料，复合层由若干复合纤维紧密排列构成，相邻的复合层之间紧密贴合，复合纤维由一根高强钢丝六根
碳纤维丝制成，六根碳纤维丝包绕在高强钢丝的外围，绞合为一体。但是，现有的复合斜拉索在使用时，存在以下
缺陷：
现有技术中芯层和复合层之间填充有粘弹性阻尼材料，该弹性阻尼材料受环境
温度、
频率、应变幅值和预压缩量的影响显著，比如
剪切模量随着温度降低快速降低。
发明内容
[0005] 针对现有技术中斜拉索在环境荷载作用下极易发生的大幅振动行为，本发明提供一种基于剪切增稠液体的高阻尼的斜拉索，该斜拉索能依据环境荷载特征瞬时增大其阻尼，从而抑制斜拉索的大幅振动，并可在荷载消失后，斜拉索恢复初始状态，且整个过程无需外界能量输入，本发明采用的技术方案是：
[0006] 本发明一种基于剪切增稠液体的高阻尼斜拉索，由内层到外层依次设置芯层、STF夹层带、索股层、STF缠包带、内层保护套和外层保护套；所述芯层内设置多个索股，相邻的索股之间充满STF颗粒，芯层外包覆有STF夹层带，STF夹层带外为索股层，STF夹层带与索股层间隔设置，索股层内设置多个索股，相邻索股之间充满STF，最外层索股层外设有STF缠包带，STF缠包带外层设置内层保护套，内层保护套外层设置外层保护套。
[0007] 进一步地，所述STF夹层带里面填充STF，STF夹层带至少设置一层。
[0008] 进一步地，所述STF夹层带设置多层时，芯层与STF夹层带之间填充STF。
[0009] 进一步地，包括芯层、STF缠包带、内层保护套及外层保护套；所述芯层由多个索股构成，相邻的索股之间充满STF，STF缠包带外层设置内层保护套，内层保护套外层设置外层保护套。
[0010] 进一步地，所述STF缠包带为基于STF改性后的高强度聚酯纤维，在缠包时相邻缠包带的重叠宽度不小于缠包带宽度的三分之一。
[0011] 进一步地，所述夹层带厚度为0.5mm-2.0mm。
[0012] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0013] 1.本发明利用剪应速率敏感、剪切模量大且瞬时可逆的STF作为斜拉索减振耗能的高阻尼材料；一方面索股之间产生相对运动，STF中纳米颗粒增强索股之间的
摩擦力；另一方面对内部STF产生
挤压，STF瞬时由液相转变为类固相，即发生剪切增稠行为，提供附加阻尼力；能有效增加斜拉索的阻尼，从而抑制斜拉索的大幅振动。
[0014] 2.本发明具有应用范围广，使用率高，对于强、台风荷载作用下，可通过调节STF夹层带的厚度，使得斜拉索在强、台风荷载较小时发生剪切增稠行为，从而消耗振
动能量；对于跨度较长的斜拉索，可利用其直径较大的特点，在芯层外设置多层STF夹层带，相邻STF夹层带间再设置索股层，且索股层的索股间充满STF，增大其阻尼，从而抑制斜拉索的大幅振动，最终提高桥梁结构的安全性。
[0015] 3.本发明在斜拉索发生振动时，一方面索股之间产生相对运动，STF增强索股之间的摩擦力；二是对STF夹层带产生挤压冲击力，夹层带里STF瞬时由液相转变为固相，即发生剪切增稠行为，提供附加高阻尼力；三是STF缠包带具有高阻尼特性。因此本发明能有效增加斜拉索的阻尼，抑制斜拉索的大幅振动。基于上述三方面耦合作用，斜拉索阻尼可得到较大的提高，消耗振动能量，从而减小其振动幅值。
附图说明
[0016] 图1为本发明斜拉索截面结构示意图。
[0017] 图2为本发明芯层截面结构示意图。
[0018] 图3为本发明小直径斜拉索截面结构示意图。
[0019] 图4为本发明STF缠包带材料(基于STF复合的高强度聚酯纤维)。
[0020] 1-芯层，11-索股，2-STF夹层带，3-剪切增稠液体STF，4-索股层，5-STF缠包带，6-内层保护套，7-外层保护套。
具体实施方式
[0021] 本发明利用新型的智能材料STF具备剪应变率敏感、剪切模量大且瞬时可逆的优点，当斜拉索承受高应变率荷载时，STF可以由液相转变为固相，STF的剪切模量远大于其初始状态的剪切模量，当斜拉索承受荷载撤销时，STF可以瞬时由固相转变为液相，即这种变化是可逆的；利用STF的剪切增稠性能，提高结构阻尼，达到减振的效果。下面结合
说明书附图和
实施例对本发明作进一步阐述。
[0022] 实施例1：如图1、图2所示，本发明剖面结构示意图可以看出由内层到外层依次设置芯层1、两层STF夹层带2(可设置多层)、索股层4、STF缠包带5、内层保护套6和外层保护套7；芯层内设置多个索股11，索股11由若干根
镀锌钢绞线紧密排列构成，相邻的索股11之间充满STF 3颗粒；芯层外包覆有两层高强度聚酯纤维密封剪切增稠液体的STF夹层带，其厚度带依据斜拉索振动控制要求进行设置可为0.5mm-2mm，STF夹层带沿斜拉索方向缠包时连续致密排列，缠整齐，无破损；索股层内沿STF夹层带外周设置多个索股，相邻索股间填充STF，STF夹层带与索股层间隔设置，最外索股层紧贴设置一层STF缠包带，缠包带为STF高强度聚酯纤维，该纤维需经过剪切增稠液浸泡并
真空干燥处理，缠包带外紧贴设置内层保护套，内层保护套外层设置外层保护套。当斜拉索发生振动时，一是，索股之间产生相对运动，STF颗粒增强索股之间的摩擦力；二是，夹层带里的STF由于挤压而被迫使流动，STF瞬时由液相转变为固相，即发生剪切增稠行为，提供附加阻尼力；三是，经过STF处理后高强度聚酯纤维缠包带具有高阻尼特性。上述三者的耦合作用能有效增加斜拉索的阻尼，从而抑制斜拉索的大幅振动。
[0023] 实施例2：本例与实施例1不同的是，如图2，图3所示：对于跨度较小的桥梁，需要设置一种直径较小基于STF的高阻尼斜拉索，由内层到外层依次设置芯层、STF缠包带层、内层保护套以及外层保护套；芯层内设置多个索股，索股由若干根镀锌钢绞线紧密排列构成，相邻的索股之间充满STF，索股之间产生相对运动，STF的颗粒增强索股之间的摩擦力；芯层外包覆STF缠包带，芯层与STF缠包带之间填充STF，STF缠包带为STF改性后的缠包带为高强度聚酯纤维，其层数依据斜拉索振动控制要求确定，且在缠包时沿缠包方向相邻，STF缠包带的重叠宽度不小于其带宽度的三分之一，要求致密，整齐，无破损。为了保护STF外漏，STF缠包带外设内保护层，内保护层带外层设置外层保护套。
[0024] 实施例3：本例与实施例1，2不同的是：对于强、台风作用下，设置一种抑制斜拉索大幅振动的基于STF的高阻尼斜拉索，内层到外层依次设置芯层、N层STF夹层带2、N层索股层、STF缠包带层、内层保护套以及外层保护套；芯层内设置多个索股，索股由若干根镀锌钢绞线紧密排列构成，相邻的索股之间充满STF，索股之间产生相对运动，STF颗粒增强索股之间的摩擦力；芯层外包覆STF夹层带，STF夹层带依据斜拉索直径和振动控制要求进行设置可为0.5mm-2mm，芯层与STF夹层带之间填充STF；当STF夹层带设置N层时，相邻两层STF夹层带之间设置多个索股，构成索股层，相邻的索股之间充满STF；最外索股层紧贴设置STF缠包带，该缠包带为STF改性后高强度聚酯纤维，在缠包时沿斜拉索方面方向排列致密，无缝，整齐。为了保护STF外漏，STF缠包带外设内保护层，内保护层带外层设置外层保护套。
