采用向量式有限元的拉索参数振动模拟

拉索的参数振动主要是由连接拉索端部的结构振动引起的,当端部振动频率与拉索的自振频率满足一定倍数关系时,拉索端部激励容易激发较大拉索参数振动。由于参数振动存在复杂的非线性振动特征,传统的解析方法难以应用于实际工程。本文发展了模拟拉索参数振动的向量式有限元方法,对斜拉索在动边界条件下的振动进行分析,对比控制方程的数值解以验证结果的准确性。并基于向量式有限元模型对端部支座轴向运动激励下产生的主共振区和主参数共振区特性进行讨论,分别研究了拉索倾角、阻尼比以及风荷载协同作用对参数振动的影响。研究结果表明向量式有限元可以有效模拟复杂工况下的拉索参数振动,有利于实际工程应用。     

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。     

索梁结构非线性振动有限元分析

为了更全面、精确地进行包括斜拉索参数振动在内的索梁结构非线性振动分析,该文采用索单元和去除自重的非线性动力计算方法,实现了能考虑参数振动的拉索非线性振动有限元方法;采用扩大Rayleigh阻尼矩阵,可以同时考虑主梁的阻尼和相对较小的拉索阻尼;将这些计算方法植入自编程序NL_Beam3D中以考虑斜拉索与主梁之间的相互作用。以1993年Fujino进行的索梁结构试验为算例,分析表明该方法能较正确地模拟索梁结构中副不稳定区域和主不稳定区域的拉索参数振动。     

桥面侧振引起的斜拉索空间耦合振动分析

基于Hamilton原理,建立了斜拉索由桥面侧振引起的非线性振动方程,并运用多尺度法求得该方程的近似解析解。结合具体的工程实例,讨论了激励幅值、激励频率、阻尼等参数对拉索振动响应的影响,并与数值方法解进行了对比。研究结果表明,桥面侧振会引起拉索的大幅振动,拉索振动表现出多值性、跳跃等非线性特性。     

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。     

斜拉桥索-梁相关振动概念及其研究方法初探

将斜拉索在端点位移激励作用下的强迫振动与参数振动定义为索-梁相关振动。把拉索振动的非线性振动方程与非线性有限元动力时程积分方法结合起来研究了索-梁相关振动现象。通过编程建立了数值计算模型,根据计算结果讨论了结构在发生索-梁相关振动时的特性。计算结果表明,拉索的局部振动与整体结构的相关效应较为明显,计算结果较为接近实际结构振动的情况。该方法可以应用于全桥有限元计算模型的建立与研究。     

斜拉桥参数振动有限元分析与半主动控制

采用有限单元法分析了斜拉桥的非线性参数振动问题,验证了在一定的频率范围内斜拉索与桥面板会发生参数共振;提出了应用形状记忆合金(SMA)对斜拉桥的参数振动实施半主动控制,并数值模拟了其控制效果,结果表明,斜拉桥参数振动的SMA半主动控制,不仅能大幅度地降低斜拉索和桥面板的振动,而且能有效地抑制斜拉桥参数共振的发生。     

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。     

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。     

设置黏滞阻尼器的斜拉索参数振动模型及控制分析

为了掌握黏滞阻尼器对斜拉索参数振动的抑振效果,考虑拉索几何非线性、倾角以及桥塔和加劲梁的协同振动影响,建立了黏滞阻尼器-拉索-塔梁耦合体系的参数振动模型,推导了黏滞阻尼器作用下斜拉索的运动方程组,提出了控制拉索参数振动的阻尼器阻尼系数计算公式,并与传统单索模型对比,分析了塔梁协同作用对拉索固有频率的影响水平;编制计算程序比较了斜拉索安装阻尼器前后的振动位移时程特征,研究了三种典型索梁频率比下阻尼器的阻尼系数、安装位置对拉索参数振动的影响。结果表明:塔梁协同作用对拉索固有频率的影响水平与索力、索长密切相关,索力越小,索长越长,塔梁协同作用的影响率也越大。安装了黏滞阻尼器后,斜拉索的振动位移呈非线性衰减趋势;随着阻尼系数的增大,拉索的最大振幅逐渐减小,但其振幅衰减率呈现先增加后降低的趋势,系统存在一个最优阻尼系数;阻尼器安装位置距离索梁锚固端越远,拉索振幅越小,存在一个衰减率为零的临界安装位置,当阻尼器安装位置超过临界位置时,振幅不能持续衰减,阻尼器的抑振效率降低。     

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。     

斜拉桥拉索的参数振动有限元分析

为探讨斜拉桥拉索发生大幅参数振动的条件,以及在振动过程中拉索的振幅和张力波动的特点,本文利用作者建立的几何非线性结构非一致激励响应分析方法,进行了斜拉索的参数振动有限元分析。分析表明：桥面的面内激励易使斜拉索的振动包含面外对称振型,从而出现组合振动现象;而桥面的面外激励只激起面外对称振动,不易引起斜拉索的面内振动;增加斜拉索的阻尼可抑制其振幅,缩小其发生大幅振动的频率范围,但其张力波幅却相应增加。所得结果与以往研究者的解析结果及实验观测现象相一致。     

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。     

超长斜拉索张力振动法测量研究

研究超长斜拉索张力的振动测试方法.索力振动测试过程中用人工激励也很难获得超长斜拉索的低阶振型,此时采用高阶频率多阶差平均的办法求取基频往往误差较大;从考虑了抗弯刚度和垂度影响的斜拉索横向自由振动方程出发,通过对拉索进行单模态振动分析得到其自由振动频率变化规律,将计算结果与实测数据比较,进而确定频谱分析得到的拉索高阶振动频率对应的模态阶数,由此对索力计算公式进行了修正,从而拓展了振动法测量斜拉索张力的适用范围;最后结合具体工程实例进行了讨论分析.     

洞庭湖大桥斜拉索减振试验研究

采用磁流变（MR）阻尼器对我国第一座三塔斜拉桥－湖南岳阳洞庭湖大桥斜拉索的减振问题进行了试验研究。内容包括：（1）设计试验装置；（2）不装阻尼器的斜拉自由振动试验；（3）装有MR阻尼器的斜拉自由振动试验。试验结构表明，安装MR阻尼器可显著提高斜拉索的模态阻尼比。通过模态阻尼比随MR阻尼器外加电压变化的关系，可得出拉索等效模态阻尼比的优化值，为实现拉索的有效减振提供了科学依据。     

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。     

葵花型索穹顶结构力学性能及拉索破断试验研究

通过对一直径6m的葵花型索穹顶试验模型,进行竖向对称加载、非对称加载以及拉索瞬间破断试验,研究了该结构的受力特点以及单根拉索瞬间破断时结构的响应特征。应用非线性有限元数值计算方法建立索穹顶计算模型,对葵花型索穹顶结构的力学性能进行了分析,并与试验结果进行比较。结果表明:在各加载阶段,节点竖向位移实测值普遍较计算结果偏大,拉索索力实测值与计算结果总体吻合较好;对称加载过程,结构的荷 载-位移关系具有较好的线性规律;与对称加载比较,非对称加载的荷载-位移关系则表现出非线性,节点位移也较大,非对称荷载对结构竖向刚度的设计起控制作用;单根拉索瞬间破断时,结构会有微幅振动,不同位置拉索的失效对结构的影响程度不尽相同。     

斜拉索杠杆质量减振器的减振分析

提出一种新型的斜拉索减振器——杠杆质量减振器,对其构造、减振原理等进行了分析。采用非线性有限元法,通过计算LMD-斜拉索系统的复特征值来求解系统的阻尼特性。与油阻尼器相比,除首阶模态,系统的各阶模态阻尼比都有提高,表明其具有更好的减振效果。     

单层平面索网结构风振响应的几何非线性特性研究

单层索网体系具有刚度小，质量轻，阻尼小等特点，对风荷载较为敏感，目前对该结构体系风振响应分析的相关研究很少，我国现行幕墙规范相关设计方法也不完善，深入研究索网结构的抗风性能显得尤为迫切。本文以线性自回归模型模拟脉动风速，采用随机模型时程分析方法计算索网的风振响应，探讨考虑不同脉动风速空间相干函数对分析结构风振响应的影响，着重研究在3种索网分析模式下的动力时程响应特征，以及在静力荷载作用下索网的非线性程度，分析结果表明：采用与风频率相关的空间相干函数进行索网的响应分析更合理；索网在平均风荷载作用下达到平衡位置后，在脉动风荷载作用下的非线性程度较弱，可以近似作为线性结构处理，因此可以平均风荷载作用下的平衡位置作为基准，采用频域方法分析单层平面索网的风振响应，这为下一步系统地研究点支式幕墙单层平面索网结构的抗风设计方法奠定基础。