端部激励下空间倾斜拉索非线性振动特性研究

为探讨空间倾斜拉索承受塔锚固端或梁锚固端谐波位移激励下的非线性振动特性,基于牛顿运动定律及拉索索力的状态变化,综合考虑拉索振动松弛与非松弛特性,推导了斜拉索承受端部任意方向位移激励下的三维空间非线性振动方程,并采用Runge-Kutta分段时程积分法求解该方程。研究表明：在三维空间坐标系下,拉索振动呈现面、内外耦合振动特性,且耦合振动幅值与拉索面、内外固有频率及激励频率大小有关;在面内位移激励下,增大激励幅值,拉索振动呈现面外自激振动特性;增大拉索初始垂度及激励幅值,拉索振动呈现松弛与非松弛状态交替变化过程。     

斜拉索面内参数振动的理论和试验研究

研究斜拉索在弦向位移激励下的面内非线性振动方程,该振动方程考虑拉索垂度、倾斜角、大位移、激励幅值、阻尼等影响因素,并应用龙格-库塔数值积分法求解该微分方程。在试验室建立了斜拉索模型,开展斜拉索受弦向位移激励的面内参数振动的试验研究,实现了斜拉索的参数振动。试验研究和数值计算表明斜拉索的参数振动与系统频率比、激励幅值、阻尼等因素有关,参数振动发生在一定的频率比范围内,斜拉索振幅与频率比关系曲线体现出非线性特性,系统阻尼使得斜拉索参数振动的激励幅值要超过一定的阀值。     

斜拉桥中索-桥耦合非线性振动的理论研究

考虑拉索的垂度、大位移引起的几何非线性及空气动力对系统的影响,将桥面简化为等截面的连续梁,建立了索-桥耦合的非线性振动模型。得到了对不同拉索数值求解的结果,表明当桥面和拉索的振动频率比值在1:1和2:1附近的小区间范围内时,索-桥耦合系统将产生严重的内共振,并呈现拍振的特征,而拉索与桥面耦合的振动特性与索的振动频率、垂度、倾角、风速偏航角、风速大小和阻尼等因素有关,从而为桥梁的设计和计算提供了理论依据。     

斜拉索受轴向激励引起的面内参数振动分析

考虑拉索垂直及几何非线性的影响，导出了拉索在轴向激励作用下的非线性振动方程，用谐波平衡法得出了产生参数共振的最小激励幅值，共振时瞬态和稳态的振幅值及拉索内力的变化特性，论述了结构阻尼对参数振动的影响，并对典型斜拉索进行了数值求解，研究结果表明，参数振动的响应特性与Irvine参数，频率匹配，激励幅值，倾斜角度等有关，索内力在瞬态现稳态有较大的变化，索的瞬态内力不容忽视。     

随机横桥向激励下斜拉索面内耦合振动特性研究

研究了横桥向零均值高斯白噪声随机激励下斜拉索面内耦合振动特性.基于牛顿运动定律及Galerkin模态截断原理,考虑拉索的垂度、大位移引起的几何非线性及初始静平衡特性,推导了拉索空间三维非线性随机振动平衡微分方程,采用等价随机线性化法推出了14维拉索面内、面外横向振动状态向量一阶均方微分方程组,利用Runge-Kutta数值积分法求解该方程组的均方根响应特性.研究表明,当拉索承受面外横向激励超过一定值时,由于耦合振动项的耦合作用,拉索面内横向振动也将被激起,发生面内耦合振动所需的临界激励均方值随着拉索阻尼比的增大而增大,在此运动状态下,即使激励为平稳荷载,拉索振动也将呈现非平稳特性.最后,采用Lyaponov指数判断系统在耦合振动过程中的稳定性特性,分析了阻尼比对稳定性的影响.     

弯斜拉桥中索的主共振研究

研究由弯斜拉桥桥面振动引起的斜拉索参数共振和主共振问题。将弯斜拉桥施工及成桥状态的复杂结构进行简化,建立索-曲梁组合结构力学模型,推导考虑拉索初始垂度及几何非线性影响的索-曲梁组合结构非线性动力学方程。将索与曲梁的连接方式处理为弹性支承。运用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和主共振,并对稳态解的稳定性进行分析,同时对斜拉索参数共振和主共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下拉索的时间历程曲线。研究结果表明:桥面的低阶振动频率在索的线性振动频率附近且激励幅值在一定范围内时,桥面的小幅振动能够激励起拉索的大幅运动,影响弯斜拉桥施工与运营的安全性。     

计入重力弦向分量影响的斜拉索非线性自由振动分析

为了进一步准确计算斜拉索的自振频率,考虑斜拉索的重力在弦向的分量对斜拉索非线性振动的影响,分别建立了斜拉索的垂度微分方程和非线性自由振动方程,采用幂级数法求解垂度微分方程,采用伽辽金法把偏微分方程转化为常微分方程,运用摄动法求得该方程的近似解,并制定了相应的数值计算方法,与理论解进行了比较。研究了考虑索力变化影响后拉索的振动特性,采用了更精确的函数来逼近垂度悬链线,解决了考虑重力在弦向的分量时,用抛物线来逼近垂度悬链线时的精度不足的问题。随着索的长度增加,索的总质量也越来越大,因此要考虑斜拉索的重力弦向的分量对斜拉索的振动的影响。     

悬索面内次谐波共振受温度效应影响研究

整体均匀温度变化会导致悬索形成新的热应力构型,影响张拉力和垂度大小。温度变化对于悬索非线性动力学方程的影响可通过与索力和垂度相关的两个无量纲参数体现。基于考虑温度变化影响下的悬索面内非线性动力学方程,利用Galerkin法对运动方程进行离散,运用多尺度法求解1/2和1/3单模态面内次谐波共振响应的近似解,并得到了相应的幅频响应方程,通过数值算例从定性和定量的角度探究温度变化对其共振响应的具体影响。算例研究表明温度变化对悬索次谐波共振响应特性影响明显,且不同垂跨比的悬索其振动特性受温度变化的影响有区别。当垂跨比较小时,一定程度的温度变化会导致其振动特性发生定性和定量的改变,改变幅频响应曲线的偏转方向及程度,影响共振区间及响应幅值。当垂跨比进一步增加后,温度变化仅会产生定量影响,改变幅频响应曲线偏转程度,影响系统共振幅值。由于悬索存在初始张拉力,相同程度的升温和降温对悬索次谐波振动特性的影响不对称。     

斜拉索在平面内的非线性自由振动分析

根据小垂度拉索的受力特性,给出其在平面内发生横向振动的非线性自由振动方程,该方程不仅反映了拉索的Irvine参数及各模态对其自振频率的影响规律,也反映了拉索各模态之间的相互耦合作用。针对拉索发生单模态振动的情况,将上述的方程简化为一个带平方项的Duffing方程,并运用平均法给出了它的近似解析解。最后,结合具体的工程实例,分析了拉索的有关动力特性,并与数值方法进行了对比。     

考虑抗弯刚度影响的斜拉索面内非线性自由振动分析

研究了考虑抗弯刚度影响的斜拉索面内非线性自由振动，根据小垂度斜拉索的受力特性，求解出了反映抗弯刚度影响的斜拉索静态曲线方程，同时推导了它在平面内发生非线性自由振动的运动微分方程，针对斜拉索发生单模态振动的情况，将上述方程转化为一个带平方项的Duffing方程，并运用KBM法给出了反映该平方项影响的近似解析解；最后，结合具体工程实例分析了斜拉索的有关动力特性。     

悬索桥主缆初始位形的悬链线方程精细迭代分析法

悬索桥非线性有限元法采用悬链线单元精度高,推导了基于自重约束方程,求解两种设计条件下主缆初始位形的悬链线精细迭代法公式,该方法能够计算主缆变形后自重荷载集度的变化。根据索鞍的受力特点,推导了不平衡索力与索鞍预偏量之间增量函数形式的显式刚度方程,导出了索鞍弧顶主缆曲线的无应力索长的精确计算公式。算例结果表明,方法精度高,计算稳定且收敛快。     

索-梁组合结构中拉索的非线性响应

研究由桥面振动引起的斜拉索参数共振和亚谐波共振问题。首先,建立索-梁组合结构力学模型,推导了考虑拉索初始垂度的索-梁组合结构非线性动力学方程。然后利用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和亚谐波共振,并对稳态解的稳定性进行了分析。最后对斜拉索参数共振和亚谐波共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下的拉索时间历程曲线。数值模拟结果表明斜拉索振幅与阻尼有关,但不受拉索初始条件影响。     

拉索局部振动对斜拉桥地震响应的影响研究

拉索作为大跨度斜拉桥的主要承重构件,横向刚度较小,在地震荷载作用下容易发生索-梁和索-塔耦合振动,对斜拉桥的能量分布和阻尼特性产生较大影响,在斜拉桥地震响应计算中有必要考虑拉索的局部振动影响。根据子结构原理和自由度凝聚的方法,在斜拉桥动力特性和地震响应分析中可以考虑拉索的局部振动,并编制了三维有限元程序,对拉索局部振动的影响进行了研究。结果表明,考虑拉索局部振动时,斜拉桥纵向振型的参与系数有不同程度的减小,主梁和桥塔的加速度、位移、弯矩和轴力增大非常显著,短索的纵向位移减小,而长索的纵向位移增大,拉索脉动张力显著增大,拉索位移和张力时程出现拉索局部振动干扰的现象。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响分析

采用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一。现有拉索阻尼器设计理论均假定索的两端为固结;然而,随着斜拉桥跨度的增大,桥梁结构整体刚度下降,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响成为大跨度斜拉桥拉索减振设计需要考虑的问题。该文建立了索、梁和阻尼器组合系统的简化理论模型,并对其进行了复模态分析。以跨径分别为400m、650m和1km的3座斜拉桥主跨最长索为算例,分析了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响,指出了现有阻尼器设计理论的不足。分析结果表明:主梁振动降低了拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,必须考虑主梁参与振动的影响。     

轴向激励下斜拉索大幅振动分析

针对大跨度斜拉空间结构的斜拉索大幅振动问题,考虑塔柱-拉索-空间结构协同作用,导出了拉索在轴向激励作用下的非线性振动方程。采用多尺度法研究拉索大幅振动的各种可能性,运用精细时程积分法数值求解振动方程。研究表明斜拉索自由振动时的振动特性与塔柱、拉索、空间结构三者之间的频率比,以及塔柱、空间结构对拉索所提供的初始扰动特性密切相关;塔柱振动对拉索的参数振动影响明显。若塔柱与空间结构的固有频率相近且远离拉索固有频率,拉索振动发散。若塔柱和空间结构的固有频率相近、且与拉索固有频率存在一定差别,拉索振动呈现“拍”的特点。若塔柱、空间结构与拉索三者的固有频率相互紧密靠近,拉索振动的位移幅值接近拉索的初始扰动值。     

斜拉索在轴向白噪声随机激励下的响应

建立了在考虑垂度以及拉索张力沿索长变化时拉索的参激随机微分方程,给出了在白噪声随机激励下预测拉索响应的近似理论解--用统计矩截断法求解矩方程,获得高斯闭合解和一阶非高斯闭合解.并采用数值模拟方法进行验证.随后以南京长江二桥A20拉索为研究对象,采用MonteCarlo数值方法对近似理论解进行验证.最后分析了白噪声激励强度、拉索阻尼及拉索张力对响应的影响.结果表明,斜拉索在零均值随机位移激励下的响应为非零均值;在高斯白噪声激励下的一阶位移响应随激励强度的增大而增大.随拉索阻尼和张力增大而减小.     

柔性组合结构的大挠度非线性有限元分析

本文应用预应力柔性索的非线性有限元模型,用折算弹性模量考虑索初始垂度的影响,引入主一从控制原理来克服柔性元素和刚性元素共同作用时易产生的方程病态,在结构变位后的基础上建立平衡方程,采用带有动坐标的刚度矩阵迭代法,分析了斜拉桥、悬索桥等柔性组合结构的大挠度问题。应用本文方法,已经成功地分析了多座斜拉桥实际结构。对于一般柔性组合结构,经过二至六次迭代即可达到相当的精度。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

应用碳纤维索的斜拉桥地震响应分析

以在建的杭州湾跨海大桥北航道桥为对象,采用强度等效的原则将原桥的钢丝索替换成碳纤维索,利用能考虑拉索局部振动的斜拉桥地震响应分析程序,分析比较了同一地震荷载作用下碳纤维索斜拉桥与钢丝索斜拉桥的振动特性及地震响应差异,并探讨了引起差异的根本原因。结果表明:索桥耦合振动是引起两种拉索斜拉桥的振动特性和地震响应存在差异的根本原因,碳纤维索的自振频率高,发生索桥耦合振动的可能性低于钢索斜拉桥,同一地震荷载作用下碳纤维索斜拉桥的地震响应要较钢丝索斜拉桥有不同程度的降低。     

大跨度斜拉桥的施工非线性倒拆分析

以斜拉桥静载弯曲能量作为目标函数,综合考虑斜拉索垂度效应、梁柱效应和大位移效应,并采用混合法求解系统方程,确定斜拉索成桥时的初始张拉力。以由此确定的斜拉桥初始状态作为施工非线性倒拆分析的初始状态,倒拆分析的过程中需要考虑相应阶段的混凝土收缩、徐变影响,倒拆分析的结果作为斜拉桥施工阶段的斜拉索张拉力,即斜拉桥施工阶段的最终优化结果。该方法经过算例验证,取得了较好的结果,为斜拉桥的施工控制提供了依据。