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基础竖向周期激励下GFRP圆弧拱面内动力稳定性实验研究

吴涛波 刘爱荣

吴涛波, 刘爱荣. 基础竖向周期激励下GFRP圆弧拱面内动力稳定性实验研究[J]. 工程力学, 2022, 39(S): 221-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S044
引用本文: 吴涛波, 刘爱荣. 基础竖向周期激励下GFRP圆弧拱面内动力稳定性实验研究[J]. 工程力学, 2022, 39(S): 221-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S044
WU Tao-bo, LIU Ai-rong. EXPERIMENTAL STUDY ON IN-PLANE DYNAMIC STABILITY OF GFRP CIRCULAR ARCH UNDER A VERTICAL HARMONIC BASE EXCITATION[J]. Engineering Mechanics, 2022, 39(S): 221-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S044
Citation: WU Tao-bo, LIU Ai-rong. EXPERIMENTAL STUDY ON IN-PLANE DYNAMIC STABILITY OF GFRP CIRCULAR ARCH UNDER A VERTICAL HARMONIC BASE EXCITATION[J]. Engineering Mechanics, 2022, 39(S): 221-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S044

基础竖向周期激励下GFRP圆弧拱面内动力稳定性实验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.S044
基金项目: 国家自然科学基金项目(51878188);高等学校学科创新引智计划项目(111计划D21021);广州市科技计划项目(20212200004);中国工程院战略咨询重点项目(2021-XZ-37)
详细信息
    作者简介:

    吴涛波(1997−),男,江西人,硕士生,主要从事新型桥梁结构的静动力稳定性研究(E-mail: 1014451495@qq.com)

    通讯作者:

    刘爱荣(1972−),女,山西人,教授,博士,主任,主要从事新型桥梁结构静动力稳定性研究(E-mail: liuar@gzhu.edu.cn)

  • 中图分类号: TU311.2

EXPERIMENTAL STUDY ON IN-PLANE DYNAMIC STABILITY OF GFRP CIRCULAR ARCH UNDER A VERTICAL HARMONIC BASE EXCITATION

  • 摘要: 该文为探究铺层角度对基础竖向激励下GFRP圆弧拱平面内动力稳定性能的影响,开展了系统的实验研究。设计了6组不同铺层角度的圆弧拱试件,利用TIRA激振器模拟输出基础竖向周期激励,采用NDI三维动态采集仪采集圆弧拱的竖向动位移,根据测得拱的面内自由振动响应,分别通过快速傅里叶变换和自由衰减法获得拱的自振频率和阻尼比。通过扫频实测了GFRP拱的动力不稳定域边界,并与有限元计算结果进行对比,基本吻合。研究表明:当外部频率约为结构自身频率两倍时,结构会出现激烈的面内反对称振动现象,即为参数共振失稳;当激励加速度小于临界激发加速度时,拱处于定态振动;外激励大于临界激发加速度时,GFRP拱出现参数振动,并且随着加速度的增大,拱的振动愈发激烈;随着铺层角度的增大,拱的自振频率和临界激发加速度逐渐减小,阻尼比与不稳定域范围逐渐增大。
  • 图  1  拱脚夹具及加载装置

    Figure  1.  Support lofting and loading device

    图  2  有限元模型

    Figure  2.  Finite element model

    图  3  有限元位移时程图

    Figure  3.  Finite element displacement time history diagram

    图  4  自由振动曲线

    Figure  4.  Free vibration curve

    图  5  20%、50%、80%激发力下扫频图

    Figure  5.  Frequency sweep back and forth under 20%, 50%, 80% exciting force

    图  6  动力不稳定域有限元与实验对比图

    Figure  6.  Comparison between finite element and experimental dynamic instability domain

    图  7  不同铺层角的不稳定域对比图

    Figure  7.  Comparison of instability domain with different lamination angles

    表  1  基本力学性能数据

    Table  1.   Basic mechanical property data

    弹性模量E1/GPa弹性模量E2/GPa剪切模量G12/GPa剪切模量G23/GPa泊松比μ12泊松比μ23
    32.6327.4512.8791.6980.30.4
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    表  2  试件设计参数

    Table  2.   Design parameters of test piece

    工况组矢跨比铺层数跨径/
    mm
    截面
    高度/mm
    截面
    宽度/mm
    铺层
    设计
    11/768000.920[0] 6
    21/768000.920[±15] 3
    31/768000.920[±30] 3
    41/768000.920[±45] 3
    51/768000.920[±60] 3
    61/768000.920[±75] 3
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    表  3  自振频率及模态测试结果

    Table  3.   Natural frequency and modal test results

    分析方法 有限元法 OMA 分析 误差/(%)
    自振频率 理论一阶振型 自振频率 实测一阶振型
    [0]6 14.55 面内反对称 14.55 面内反对称 0.00
    [±15]3 13.34 面内反对称 13.39 面内反对称 0.39
    [±30]3 10.50 面内反对称 10.41 面内反对称 −0.89
    [±45]3 7.83 面内反对称 7.41 面内反对称 −5.35
    [±60]3 6.89 面内反对称 7.03 面内反对称 2.00
    [±75]3 6.88 面内反对称 7.02 面内反对称 2.04
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    表  4  阻尼比测试结果

    Table  4.   Test results of damping ratio

    分析方法 自由衰减法阻尼比/(%) OMA分析阻尼比/(%) 误差/(%)
    [0]6 0.3562 0.3621 1.63
    [±15]3 0.4168 0.4223 1.30
    [±30]3 0.5381 0.5584 3.64
    [±45]3 0.7453 0.7572 1.57
    [±60]3 0.7513 0.7674 2.09
    [±75]3 0.9142 0.9379 2.53
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    表  5  有限元边界频率与实测边界频率对比

    Table  5.   Comparison with the measured critical frequency and finite element critical frequency

    激振力大小/(%) 上边界 下边界
    实验值/Hz 有限元值/Hz 误差/(%) 实验值/Hz 有限元值/Hz 误差/(%)
    40 29.14 28.93 0.72 29.14 29.14 0.00
    50 29.07 28.78 0.99 29.19 29.23 0.12
    60 29.05 28.67 1.31 29.22 29.29 0.24
    70 28.97 28.62 1.21 29.27 29.36 0.31
    80 28.92 28.59 1.14 29.33 29.43 0.34
    90 28.9 28.57 1.15 29.35 29.47 0.39
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-29
  • 修回日期:  2022-03-09
  • 网络出版日期:  2022-05-06
  • 刊出日期:  2022-06-06

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