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研究生:劉松一
研究生(外文):Sung-Yi Liu
論文名稱:斜張鋼纜邊界條件對其動力特性影響之研究
論文名稱(外文):The effects of boundary conditions on the dynamic characteristic of stay cables
指導教授:吳文華陳建州陳建州引用關係
指導教授(外文):Wen-Hwa WuChien-Chou Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:153
中文關鍵詞:微振量測斜張鋼纜有效振動長度橡膠套環光纖光柵感測器
外文關鍵詞:Ambient Vibration MeasurementString TheoryEffective Vibration Length.Stay Cable
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斜張鋼纜為斜張橋之主要傳遞力量構件,其索力變化可具體反映出整個橋體系統的健康狀態,故常以之作為監測的主要對象。而為評估鋼纜索力的變化,微振法因其施作簡易乃成為最普遍採用的方式。更清楚地說,根據斜張鋼纜微振量測訊號所能明確識別的各振態頻率,一般可有效應用弦理論公式或進一步考慮慣性矩及弦垂效應來估算鋼纜索力。弦理論公式顯示鋼纜索力與有效振動長度的平方成正比,所以影響此方法精確度的關鍵便繫於是否能精準決定鋼纜之有效振動長度。本研究之目的即在深入探討橡膠套環對斜張鋼纜的束制效應,並確認其對有效振動長度之影響。研究主軸分成兩部分: (1) 設計一個預力鋼架用來施拉鋼鍵以便模擬現地斜張鋼纜進行實測驗證; (2) 進行相關有限元素軟體之數值分析與比對。關於實測方面,我們應用光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG )感測器量測單根鋼鍵之訊號以識別其各振態頻率,並且採用可明確判斷有效振動長度的無橡膠套環實驗作為基準參照案例以提供計算所需之軸力值。接著,再進而評估改變不同邊界束制以及改變不同軸力下,兩種控制變因對於單根鋼鍵有效振動長度之影響。另外,我們採用SAP2000軟體,針對與實測相同的條件變化進行數值模擬,以與實驗結果交叉比對而更全面驗證各項相關結論的可靠性。
Stay cables are the primary force transmission components in cable-stayed bridges and their forces can directly reflect the health conditions of the whole structural system. To investigate the cable forces, the ambient vibration method is popularly adopted. This method is based on the modal frequencies identified from the ambient vibration measurements and the string theory to estimate the corresponding cable forces. Since the string theory demonstrates that the cable force is proportional to the square of the effective vibration length, an accurate evaluation of the cable force is significantly influenced by a reasonable determination of the effective length. In practical applications, however, rubber constraints are usually applied to both ends of stay cables to centralize the cable and provide certain amount of damping. The addition complicates the determination of effective vibration length, which is conventionally taken as the distance between both anchorage points. This study is aimed to explore this difficulty with a down-scale experiment and a corresponding simulation analysis by SAP2000 finite-element software. The experiment and analysis results indicate that the effective length of a strand is reduced by the rubber constraints and decreases with the closer contacts between two media. Moreover, the effective length is also increased with the increasing strand force.
目錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii

第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 本文內容與架構 4
第二章 預力鋼鍵之基本性質與動力特性 6
2.1預力鋼鍵之基本性質 6
2.2預力鋼鍵之動力特性 6
第三章 實驗鋼架之設計與預力施拉 9
3.1實驗鋼架之設計與檢核 9
3.1.1鋼棒之挫屈強度檢核 9
3.1.2鋼板之撓曲強度檢核 10
3.2預力施拉 12
第四章 預力鋼鍵之振動量測 14
4.1光纖布拉格光柵感測器 14
4.1.1光纖光柵感測原理 14
4.1.2波長飄移與應變和溫度的關係 15
4.2光纖感測掃描儀 17
4.3量測方法 18
4.4傅立葉振幅譜 21
4.5釣魚線預拉及外力輸入方式 22
4.6不同磅數釣魚線之探討 23
4.7選定最佳量測位置 24
第五章 預力鋼鍵有效振動長度之估算 26
5.1弦理論公式之有效性 26
5.2軸力值之決定 27
第六章 邊界束制對於有效振動長度的影響 29
6.1實驗流程 29
6.2邊界束制勁度之效應 30
6.3邊界束制下軸力之效應 31
第七章 結論與建議 33
參 考 文 獻 35





























表目錄

表2-1 預力鋼鍵之SGS試驗報告 38
表3-1 夾片滑移與預力損失之關係 38
表4-1 使用不同磅數釣魚線進行量測所識別之鋼鍵各振態頻率及所對應SAP2000模擬結果 39
表4-2 不同量測位置各振態頻率之實驗量測結果 39
表5-1 不同軸力下預力鋼鍵各振態頻率之比較 40
表5-2 荷重計直接量測與根據微振量測配合弦理論所得之預力鋼鍵軸力比較 41
表6-1 6號預力鋼鍵不同邊界束制下之有效振動長度 42
表6-2 2號預力鋼鍵不同邊界束制下之有效振動長度 43
表6-3 4號預力鋼鍵不同邊界束制下之有效振動長度 44
表6-4 不同軸力下6號預力鋼鍵之之有效振動長度 45
表6-5 SAP2000模擬6號預力鋼鍵在不同軸力下之有效振動長度 45




















圖目錄

圖1-1 斜張鋼纜及其兩端錨錠示意圖 46
圖1-2 媽祖大橋現地橋面端之橡膠套環裝置 47
圖1-3 愛蘭橋現地橋面端之橡膠套環裝置 48
圖1-4 集鹿大橋之橋面端之橡膠套環裝置 48
圖2-1 七線鋼絞索 49
圖2-2 一維梁橫向振動分析 50
圖3-1 實驗預力鋼架 51
圖3-2 柱之有效長度 52
圖3-3 柱強度與細長比關係圖 52
圖3-4 十九孔錨頭 53
圖3-5 預力鋼架兩端鋼板 54
圖3-6 檢核鋼板撓曲強度部份之計算示意圖 55
圖3-7 預力鋼架中點位置之薄鋼板 55
圖3-8 鋼板內側之鐵套管 56
圖3-9 油壓機 57
圖3-10 油壓千斤頂 57
圖3-11 頂住夾片用之鐵套環 58
圖3-12 三片式夾片 58
圖3-13 預力鋼鍵在固定端處加裝單孔荷重計 59
圖3-14 荷重計與讀數儀 59
圖3-15 預力鋼鍵施拉位置與順序 60
圖3-16 油壓機連接油壓千斤頂 60
圖3-17 油壓表讀數與卸壓後預力關係圖 61
圖4-1 光纖斷面圖 62
圖4-2 全反射現象 62
圖4-3 光纖布拉格光柵構造 63
圖4-4 光纖布拉格光柵反射示意圖 63
圖4-5 si425-300光纖感測掃描儀外觀 64
圖4-6 光纖布拉格光柵感測器外觀 64
圖4-7 UV411型號UV膠 65
圖4-8 FBG感測器與釣魚線之黏貼 65
圖4-9 紫外線燈 66
圖4-10 釣魚線固定黏貼至地面的基座 66
圖4-11 釣魚線搭配鐵套環固定於鋼鍵 67
圖4-12 預拉0.5nm前置波長飄移量之FBG量測 68
圖4-13 預拉1nm前置波長飄移量之FBG量測 69
圖4-14 預拉2nm前置波長飄移量之FBG量測 70
圖4-15 未敲擊鋼鍵之FBG量測 71
圖4-16 敲擊鋼鍵一次之FBG量測 72
圖4-17 敲擊鋼鍵四次之FBG量測 73
圖4-18 釣魚線勁度實驗 74
圖4-19 三種釣魚線之勁度試驗結果 74
圖4-20 使用8磅釣魚線之FBG量測 75
圖4-21 使用25磅釣魚線之FBG量測 76
圖4-22 使用50磅釣魚線之FBG量測 77
圖4-23 不同量測位置之基座設置 78
圖4-24 距固定端鋼板52cm處之FBG量測 79
圖4-25 距固定端鋼板104cm處之FBG量測 80
圖4-26 距固定端鋼板156cm處之FBG量測 81
圖4-27 距固定端鋼板208cm處之FBG量測 82
圖5-1 油壓表讀數為10MPa之FBG量測 83
圖5-2 油壓表讀數為14MPa之FBG量測 84
圖5-3 油壓表讀數為18MPa之FBG量測 85
圖6-1 實驗用橡膠墊 86
圖6-2 填補橡膠墊與鋼鍵空隙用之塑膠片 86
圖6-3 塑膠片填補鋼鍵與鐵套管內側空隙 87
圖6-4 6號鋼鍵未裝設橡膠墊之FBG量測 88
圖6-5 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及2片塑膠片之FBG量測 89
圖6-6 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及3片塑膠片之FBG量測 90
圖6-7 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及4片塑膠片之FBG量測 91
圖6-8 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及5片塑膠片之FBG量測 92
圖6-9 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及6片塑膠片之FBG量測 93
圖6-10 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及7片塑膠片之FBG量測 94
圖6-11 6號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及4片塑膠片之FBG量測 95
圖6-12 6號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及5片塑膠片之FBG量測 96
圖6-13 6號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及6片塑膠片之FBG量測 97
圖6-14 6號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及7片塑膠片之FBG量測 98
圖6-15 6號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及8片塑膠片之FBG量測 99
圖6-16 6號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及9片塑膠片之FBG量測 100
圖6-17 6號鋼鍵兩端裝設橡膠墊之FBG量測 101
圖6-18 2號鋼鍵未裝設橡膠墊之FBG量測 102
圖6-19 2號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及2片塑膠片之FBG量測 103
圖6-20 2號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及3片塑膠片之FBG量測 104
圖6-21 2號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及4片塑膠片之FBG量測 105
圖6-22 2號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及5片塑膠片之FBG量測 106
圖6-23 2號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及6片塑膠片之FBG量測 107
圖6-24 2號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及7片塑膠片之FBG量測 108
圖6-25 2號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及2片塑膠片之FBG量測 109
圖6-26 2號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及3片塑膠片之FBG量測 110
圖6-27 2號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及4片塑膠片之FBG量測 111
圖6-28 2號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及5片塑膠片之FBG量測 112
圖6-29 2號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及6片塑膠片之FBG量測 113
圖6-30 2號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及7片塑膠片之FBG量測 114
圖6-31 2號鋼鍵兩端裝設橡膠墊之FBG量測 115
圖6-32 4號鋼鍵未裝設橡膠墊之FBG量測 116
圖6-33 4號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及2片塑膠片之FBG量測 117
圖6-34 4號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及3片塑膠片之FBG量測 118
圖6-35 4號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及4片塑膠片之FBG量測 119
圖6-36 4號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及5片塑膠片之FBG量測 120
圖6-37 4號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及6片塑膠片之FBG量測 121
圖6-38 4號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊及7片塑膠片之FBG量測 122
圖6-39 4號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及2片塑膠片之FBG量測 123
圖6-40 4號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及3片塑膠片之FBG量測 124
圖6-41 4號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及4片塑膠片之FBG量測 125
圖6-42 4號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及5片塑膠片之FBG量測 126
圖6-43 4號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及6片塑膠片之FBG量測 127
圖6-44 4號鋼鍵於施拉端裝設橡膠墊及7片塑膠片之FBG量測 128
圖6-45 4號鋼鍵兩端裝設橡膠墊之FBG量測 129
圖6-46 實驗用之橡膠墊利用攝影量測進行勁度試驗 130
圖6-47 橡膠墊之加載與變形關係圖 130
圖6-48 6號鋼鍵於固定端不裝設橡膠墊且軸力為1567kgf之FBG量測 131
圖6-49 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊且軸力為1567kgf之FBG量測 132
圖6-50 6號鋼鍵於固定端不裝設橡膠墊且軸力為2174kgf之FBG量測 133
圖6-51 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊且軸力為2174kgf之FBG量測 134
圖6-52 6號鋼鍵於固定端不裝設橡膠墊且軸力為3104kgf之FBG量測 135
圖6-53 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊且軸力為3104kgf之FBG量測 136
圖6-54 6號鋼鍵於固定端不裝設橡膠墊且軸力為3908kgf之FBG量測 137
圖6-55 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊且軸力為3908kgf之FBG量測 138
圖6-56 6號鋼鍵於固定端不裝設橡膠墊且軸力為4577kgf之FBG量測 139
圖6-57 6號鋼鍵於固定端裝設橡膠墊且軸力為4577kgf之FBG量測 140
參 考 文 獻
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