带有纵向肋条斜拉索的风雨激振减振机理研究

基于滑移理论,推导耦合的水膜运动方程和斜拉索运动方程,得到了可用于分析任意横断面外形斜拉索的风雨激振理论模型;并建立带有两个纵向肋条的斜拉索外形,通过对方程组进行求解分析水膜形态、斜拉索升力及斜拉索振动响应之间的相互联系,探究其减振机理。结果表明:带有两个肋条的斜拉索虽不能抑制上水线的形成,但与圆形横断面斜拉索的相比,使上水线厚度变薄,并且阻碍水线沿斜拉索表面的周期性滑落,扰乱其与斜拉索振动的频率相关性,使得斜拉索升力周期性特性减弱,从而抑制斜拉索在横风向的大幅度振动,阻碍风雨激振现象的产生。     

滑移理论在斜拉索风雨激振两自由度模型研究中的应用EI北大核心CSCD

考虑斜拉索顺风向振动的影响,基于滑移理论建立斜拉索风雨激振两自由度模型。借助计算流体力学软件Fluent求解水膜运动方程中的风压力系数和风摩擦力系数。通过数值求解耦合的水膜运动方程和拉索振动方程,分别研究风雨激振过程中拉索表面水膜形态变化(水线运动)特性、拉索气动升力和阻力变化规律以及拉索横风向与顺风向振动响应。在此基础上,分析三者之间的内在联系,揭示风雨激振的产生机理,即:水线在斜拉索表面的周期性振荡导致拉索升力和阻力的周期性变化,从而引起拉索横风向和顺风向的大幅度振动,而斜拉索在两个方向的周期性振动反过来又会加强水线的周期性振荡;水线与斜拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因。     

滑移理论在斜拉索风雨激振两自由度模型研究中的应用

考虑斜拉索顺风向振动的影响,基于滑移理论建立斜拉索风雨激振两自由度模型。借助计算流体力学软件Fluent求解水膜运动方程中的风压力系数和风摩擦力系数。通过数值求解耦合的水膜运动方程和拉索振动方程,分别研究风雨激振过程中拉索表面水膜形态变化(水线运动)特性、拉索气动升力和阻力变化规律以及拉索横风向与顺风向振动响应。在此基础上,分析三者之间的内在联系,揭示风雨激振的产生机理,即:水线在斜拉索表面的周期性振荡导致拉索升力和阻力的周期性变化,从而引起拉索横风向和顺风向的大幅度振动,而斜拉索在两个方向的周期性振动反过来又会加强水线的周期性振荡;水线与斜拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因。     

索膜结构的抖振动力特性研究

研究了索膜结构在脉动风作用下的动力特性。采用Wilson-q逐步积分法和Newton-Raphson迭代法推导了索膜结构在抖振力作用下的非线性动力增量平衡方程,求得结构的时程响应曲线。通过实例分析,探讨了结构参数变化对自振频率的影响;研究抖振力作用下索膜结构响应的频谱特性,从而得出索膜结构的抖振响应特性。     

亮化灯具对既有斜拉索风致振动影响的试验研究

为了装点城市夜景,对既有大跨度斜拉桥进行光彩亮化改造已成为一种趋势,但是安装照明灯具将显著改变斜拉索的气动形状,影响结构气动稳定性。为保证结构的安全及耐久性,通过风洞试验研究了安装灯具后斜拉索的抗风性能,评价亮化灯具对既有斜拉索产生的影响。以三种不同管径斜拉索为研究对象,制作了几何缩尺比为1∶1的节段模型,开展了测力和测振的风洞试验。研究结果表明:灯具的存在将显著改变斜拉索的气动外形,提高其背风侧漩涡脱落的频率,使斜拉索在更低的来流风速下就具备发生涡激共振的可能性。此外,灯具对斜拉索风雨激振的影响较为有限,对斜拉索干索驰振有一定的抑制作用。     

斜拉桥斜拉索表面损伤状态下风致振动特性研究

斜拉桥斜拉索在生产、运输、安装和运营过程中,可能产生划痕、裂缝等损伤,研究斜拉索在表面损伤状态下的风致振动特性,对于准确评估斜拉索在其服役期内的气动稳定性能具有重要意义。通过对光滑和表面存在凹痕的斜拉索模型进行风洞测振试验,分析了雷诺数、来流风向和凹痕尺寸等参数对斜拉索风致振动特性的影响规律,并对振动状态进行了初步判断。结果表明,表面存在凹痕的斜拉索模型的振动特征随雷诺数的整体变化趋势近似于光滑模型,但存在最不利风向,在此风向下,与光滑模型相比,表面存在凹痕的斜拉索模型的风致振动不仅在较低雷诺数发生,而且振幅较大,发生振动的雷诺数区间也较宽。此外,凹痕尺寸对斜拉索模型在试验雷诺数范围内风致振动特性的影响也非常显著,但并非简单的单调关系,而是与来流风向相关。根据模型风致振动频率与Den Hartog驰振准则,初步判断此风致振动不为涡激振动,而为驰振。     

风雨激振中斜拉索表面水线运动的三维数值模拟

基于滑移理论推导三维水膜运动方程,重点考虑斜拉索表面水膜形态变化对风压力系数和风摩擦力系数的影响,建立模拟风雨条件下三维节段斜拉索表面水膜形态变化的理论模型。在此基础上推导出三维节段斜拉索气动力的计算公式,研究水线运动对拉索气动力及其振动响应的影响。结果表明:应用三维滑移理论模型数值模拟得到的拉索表面上下水线的位置、形态与风洞试验结果相近;发生风雨激振时斜拉索的顺风向振幅明显小于横风向振幅;水线沿拉索环向与轴向运动使得水膜形态发生低频周期性变化,导致拉索气动升力与阻力的同频周期性变化,从而引起拉索的大幅度振动,产生风雨激振现象。     

斜拉索参数振动精细化模型及其影响因素研究

斜拉索作为大跨斜拉结构重要组成构件,其复杂振动特性会影响着整体结构的受力性能。该文针对大跨斜拉结构拉索的一种非线性振动——参数振动,考虑塔柱、拉索及空间结构的协同作用,建立精细化振动模型,系统研究拉索参数振动特性及其各种影响因素,并给出索参数振动机理的物理解释。研究结果不仅可以指导大跨斜拉结构的设计施工,还能为拉索参数振动的抑制和控制提供建设性意见。     

梯形螺旋线对斜拉索上水线的影响及其减振效果研究

在滑移理论的基础上,通过COMSOL软件建立带有双螺旋线的斜拉索圆柱绕流模型,得到斜拉索的风压力系数和风摩擦系数。忽略斜拉索在横风向上的振动,通过改变风向得到在不同截面下带有双螺旋线的斜拉索受到的气动力,进而求得斜拉索的振动时程曲线及其频谱分析结果。结果显示,双螺旋线的存在抑制了水线在斜拉索表面的振荡,使得斜拉索在横风向受到的拉索气动力变化范围逐渐缩小,气动力的振荡频率远大于斜拉索的自振频率,降低了水线与斜拉索产生共振的可能性,从而抑制了斜拉索的风雨激振现象。     

斜风作用下大跨度斜拉桥双悬臂状态抖振性能

通过气弹模型风洞试验对斜风作用下湛江海湾大桥施工阶段最长双悬臂状态的抖振性能进行了研究,结果显示:对于大跨度斜拉桥梁抖振响应法向风不一定是最不利的情况;抖振响应随风偏角呈非单调变化,最大值可能在0°~15°风偏角范围内发生;抖振响应随风速的增加近似地按两次曲线增加,并且基本固有模态对抖振响应的贡献占到了主要成份;最长双悬臂状态塔顶纵向抖振响应显著地大于裸塔塔顶纵向抖振响应,而两者随风偏角的变化形态也互不相同。试验和分析结果的比较表明,只要解决好诸如气动导纳等气动参数的取值问题,可以对大跨度桥梁抖振响应作出合理的理论预测。     

大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应

为研究大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应,以湖南赤石特大桥火灾后九根拉索断裂的事故为背景,采用有限元软件建立了赤石特大桥的非线性动力实体有限元分析模型,通过对比灾后检测得到的索力、主梁和索塔位移及裂缝开展情况与有限元模型中相应的计算结果,证明了模型的有效性。基于已验证的有限元模型,对斜拉桥结构在多根拉索断裂过程中的动力响应进行了分析。结果表明:(1)拉索静态断裂只会对断索区域附近的截面内力和索力造成影响,而拉索骤断引起的冲击作用则会导致全桥结构都产生较大内力变化;(2)单侧索面部分拉索断裂导致主梁顶板及腹板受到扭矩和双向弯矩的共同作用而产生大量裂缝,裂缝在第五根拉索断裂后出现;(3)主梁扭矩、竖向弯矩和横向弯矩最不利截面在断索过程中的动力放大系数分别在1.09~1.55、1.21~2.05及1.21~1.76,最大主压应力动力放大系数在1.02~1.58;(4)预应力筋及拉索最大拉应力的动力放大系数分别在1~1.9及1.05~1.4;(5)索塔塔顶位移动力放大系数在1.23~1.65。     

边缘构件刚度对索网结构风振响应的影响分析

本文根据索网结构中索系和边缘支承结构共同工作且相互影响的特点，运用随机振动理论，考虑风的三维相干性，讨论了脉动风作用下，边缘构件刚度对索网结构的自振频率和风振响应的影响规律。分析表明，临界刚度比是索网结构动力响应计算的一个关键参数。     

强震作用下独塔斜拉桥拉索松弛现象研究

为考虑地震作用下斜拉桥拉索的垂度效应,常规方法是将拉索模拟为弹性单元,根据恒载索力修正单元材料的弹性模量;但该方法忽略了索力变化对拉索轴向刚度的影响,也未考虑强震中可能出现的拉索松弛现象。该文先给出了三种不同的拉索应力-应变方程,然后以一座独塔斜拉桥为背景,通过赋予拉索不同的应力-应变关系建立了三个非线性有限元模型,研究了强震作用下拉索的地震响应和拉索松弛现象。结果表明:在近场地震作用下,拉索索力变化幅度较大,部分拉索有可能出现松弛现象;拉索松弛后,出现松弛的拉索最小索力不再减小,最大索力继续增加;对于整个结构而言,拉索松弛只是局部响应的变化,对梁体位移和塔柱受力等地震响应的影响有限;但地震中不考虑索力变化对拉索轴向刚度的影响可能低估结构的地震响应,最大偏差可达到20%。     

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。     

预应力结构非线性分析的索单元理论

本文将预应力结构中的张拉索处理为具有两个铰接节点的索单元,导出了索单元中总分布荷载的表达式和索的大位移增量刚度矩阵以及索元的一致质量矩阵,基于虚功原理建立了索元的静动力非线性平衡方程。应用本文理论可以分析拉索预应力结构的静力非线性问题、基本动力特性及非线性动力反应过程,可以跟踪不同的预应力张拉次序和过程。算例表明:本文方法具有较高的计算精度。     

深海系泊系统模态分析

该文考虑深水系缆的拉伸和弯曲变形,取正交坐标和切向量描述任意结点的6个广义位移,考虑缆变形的几何非线性和水动力影响,基于细长杆理论推导缆索的单元刚度矩阵,得到12×12的非线性刚度矩阵,实现了该文单元与有限元软件的调用对接。针对水深318m的Spar平台,四根缆定位,计算了系泊系统固有频率和模态以及系泊缆群的张力响应。计算结果表明:该文单元刚度矩阵能够反映深海系泊缆的动力响应特性。     

多重四边形环索-张弦穹顶局部断索冲击分析

多重环索-张弦组合屋盖为复杂的弦支穹顶结构。任一拉索瞬断均会对屋盖结构产生十分显著的动力冲击作用。针对多重环索-张弦穹顶屋盖的结构特点,提出基于AP法的断索冲击动力分析方法。针对断索失效路径、断索持续时间、结构阻尼比及屋盖初始荷载等参数开展敏感性分析,得到适用于多重环索-张弦屋盖的断索冲击动力分析的适用参数。剩余屋盖结构的动力分析结果表明:拉索瞬断冲击下,剩余屋盖的位移及内力响应均会不同程度地大于拉索静力失效,拉索瞬断引起的冲击效应不可忽视。而且,部分结构响应的动力放大系数会大显著大于规范所推荐的放大系数DAF=2.0。不同类型的拉索瞬断分析结果表明:同一重环索中任一拉索瞬断引起的动力效应大致相同;外环索瞬断引起的动力效应会显著大于其他拉索;虽然外环索和张弦索的瞬断均会引起较大的动力响应,但是两者的分布规律差异较大;多根拉索瞬断引起的动力响应并非总是大于单根拉索瞬断。     

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。     

索的动刚度与模态参数识别

索的动刚度描述动态过程索的荷载与变形的关系,是索本身固有特性的描述。从考虑垂度影响的索的动刚度解析解出发,提出了适用索模态参数是不相应的简化解。试验得到了索的频响函数,采用最小二乘拟合的方法,应用推导的索动刚度简化解,识别出了索的各阶频率和阻尼比。