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。     

斜拉索—摩擦型阻尼器系统的阻尼特性分析

研究了采用非线性摩擦型阻尼器的斜拉索振动控制的阻尼特性。通过数值模拟斜拉索-摩擦型阻尼器系统的自由振动,分析了斜拉索位移时程曲线的衰减特征,系统模态阻尼比的变化规律以及拉索振动形状的变化。通过对拉索模态阻尼比的参数分析,得到了摩擦型阻尼器参数和拉索附加阻尼关系的通用设计曲线。研究了拉索-摩擦型阻尼器系统最大附加阻尼的取值,结果表明斜拉索的最大模态阻尼比依振动初始条件等参数影响分布在一个范围而非定值,其下限值仍高于采用线性黏滞阻尼器时所获得的最大模态阻尼比。最后将数值模拟结果与已有实索试验数据进行了对比,二者吻合良好。     

索-梁组合结构非线性时滞减振研究

采用时滞减振技术对索-梁组合结构进行了振动控制分析。通过Hamilton原理建立了索-梁组合结构的运动控制方程,引入时滞减振技术,应用多尺度摄动方法得到了主共振和1/3亚谐波共振的解的近似表达式。结果表明,时滞减振技术的两个主要参数时滞和控制增益能有效调节阻尼和频率。通过调节控制增益和时滞值,可增大阻尼比,避免共振域,从而对索-梁组合结构实现减振。     

斜拉桥主梁纵向漂移对拉索非线性振动影响

为研究斜拉桥主梁纵向漂移对拉索非线性振动的影响,利用Galerkin方法得到了两端激励拉索的离散运动方程,再用Matlab和DSolver分别求解,两者结果完全吻合。绘制了激励-响应关系图,分别研究两种纵向漂移频率(主共振和亚谐波共振)时固结体系、小幅纵向漂移和大幅纵向漂移三种情况下斜拉索非线性振动。结果表明:合理的主梁纵向漂移可有效减小斜拉索振动;斜拉索本质上只存在参数激励和强迫振动两种激励模式,在亚谐波共振时这两种激励模式互不影响。不论斜拉索角度,端部激励大小及方向如何变化,只要各激励在斜拉索轴向分量之和(参数激励)及横向分量之和(强迫振动)不变,则斜拉索响应不变。     

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。     

斜拉桥塔-索-桥耦合连续模型及其内共振分析

研究斜拉桥桥塔-斜拉索-桥面的连续耦合振动模型及其2∶2∶1和1∶1∶1内共振问题。计及拉索的重力垂度、倾角及空气阻尼等因素,将桥面简化为一端固支、一端受弹簧力作用的Bernoulli-Euler梁,桥塔视作受弹簧拉力和阻尼力的质量块,建立了桥塔-拉索-桥面连续耦合非线性振动模型。利用多尺度方法得到了系统发生内共振的条件,并求出系统的三个自由度稳态运动幅值所满足的关系式。对系统的内共振进行了数值模拟,验证了理论分析的正确性。结果表明,桥塔和拉索在初始扰动下会发生1∶1内共振,桥面在一次近似意义上仅仅提供了内共振产生的约束条件,但在内共振过程中没有参与系统各部分之间的能量交换。最后发现一定条件下,系统会出现混沌运动。     

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。     

多索-梁结构固有振动特性分析

进行了单索-梁结构和二索-梁结构模型固有振动试验,采用斜拉桥整体动力分析有限元方法建立了索梁结构有限元模型,与试验结果进行的比较验证了所建有限元模型的正确性。通过对单索-梁结构至四索-梁结构的固有振动特性的有限元分析表明,斜拉索的存在和数量对索梁结构的面内固有频率影响较大,对面外固有频率影响很小;斜拉索的增加使索梁结构面内振动频率增大的主要原因是斜拉索对主梁起到竖向支承的作用。将斜拉索竖向支承作用简化为弹性支撑,考虑斜拉索水平分力对主梁轴力的影响,推导得到了多索-梁结构面内固有振动的频率方程和振型函数,与有限元计算结果进行的对比说明了所得简化公式的正确性和适用性。     

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。     

负刚度非线性黏滞阻尼器对斜拉索振动控制研究

为提升传统被动线性黏滞阻尼器（LVD）对斜拉索的减振效果,本文融合被动负刚度控制技术和非线性黏滞阻尼特征,开展了负刚度非线性黏滞阻尼器（NSNVD）对斜拉索减振增效的研究。基于能量等效线性化方法获得了NSNVD的线性等效力学模型;采用复模态分析获得了斜拉索张紧弦模型的附加模态阻尼比的近似解和迭代解,并分别与考虑或忽略斜拉索垂度和抗弯刚度的数值仿真解进行对比,验证了能量等效线性化方法对NSNVD斜拉索减振系统的适用性;基于考虑斜拉索垂度和抗弯刚度的仿真解分别开展了NSNVD对斜拉索单模态减振效果参数分析和多模态减振效果优化研究,获得了NSNVD负刚度系数和黏滞阻尼指数对斜拉索单模态和多模态减振效果的影响规律。研究结果表明：NSNVD的被动负刚度效应显著提升了斜拉索单模态减振效果,负刚度效应和非线性黏滞阻尼特征均有助于提升斜拉索多模态减振效果;与非线性黏滞阻尼器（NVD）和负刚度线性黏滞阻尼器（NSLVD）相比,NSNVD对斜拉索具有更好的减振效果。     

斜拉桥拉索模态耦合非线性共振响应特性

考虑拉索垂度及几何非线性的影响,导出了斜拉索的面内外耦合非线性振动方程。通过Galerkin方法,将偏微分方程化为常微分方程,用多尺度法对耦合方程求解,得出了面内外一阶模态耦合振动特性。对典型斜拉桥拉索进行了计算,结果表明:拉索可能产生1:1内共振,共振频率区间及振动幅值与索的垂度大小有关;索内阻尼对共振特性也有较大的影响;由于非线性的影响,响应幅值与初始条件有关。     

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.     

两端固定输流管道的稳定性和参数共振

研究了两端固定输流管道在脉动内流作用下的参数共振问题。用平均法导出了管道失稳判据和三种参数共振区域的边界曲线方程，讨论了系统参数对失稳区域的影响。用数值方法给出了各种参数共振的响应曲线，分析了其存在区域以及响应频率与脉动流频率之间的关系。研究结果表明，组合共振区域内可发生拟周期运动和组合周期运动；组合共振曲线能延伸到第二振型次谐波共振区域；第一振型次谐波共振曲线能覆盖整个组合共振区域，而且能延伸到第二振型次谐波共振区域。因此，此系统存在同一个脉动频率与多种运动相对应的参数区域。     

Stochastic and chaotic sub- and superharmonic response of shallow cables due to chord elongations

The paper deals with the non-linear response of shallow cables driven by stochastically varying chord elongations caused by random vibrations of the supported structure. The chord elongation introduces parametric excitation in the linear stiffness terms of the modal coordinate equations, which are responsible for significant internal subharmonic and superharmonic resonances. Under harmonically varying support motions coupled ordered or chaotic in-plane and out-of-plane subharmonic and superharmonic periodic motions may take place. If the harmonically varying chord elongation is replaced by a zero-mean, stationary narrow-band random excitation with the same standard deviation and center frequency, qualitatively and quantitatively completely different modes of vibration are registered no matter how small the bandwidth of the excitation process is. Additionally, the stochastic excitation process tends to enhance chaotic behavior. Based on Monte Carlo simulation on a reduced non-linear two-degree-of freedom system the indicated effects have been investigated for stochastic subharmonic resonance of order 2:1, and stochastic superharmonic resonances of orders 1:2 and 2:3. By analyzing the responses for two chord elongation processes with almost identical auto-spectral density function, but completely different amplitudes, it is shown that the indicated qualitative and quantitative changes of the subharmonic resonance primarily are caused by the slowly varying phase of the stochastic excitation. The superharmonic stochastic responses are dominated by random jumps between a single mode in-plane and a coupled mode attractor, which are caused by the variation of the amplitude of the random excitation. Such jumps do not occur in the subharmonic response, because the single mode in-plane attractor is unstable.     

三维覆冰斜拉索风致振动驰振分析

斜拉索偏心覆冰后,气动外形不再稳定,在风的作用下,可能诱发驰振。大幅的驰振将威胁到拉索结构的安全,因此,有必要对覆冰拉索的驰振稳定性进行深入的研究。应用FLUENT中的SST k-ω模型对三维覆冰斜拉索的绕流场进行数值模拟,得到全攻角下的阻力系数、升力系数及驰振力系数,依此判定覆冰斜拉索是否发生驰振,并得到某大跨斜拉桥部分斜拉索的驰振临界风速。结果表明：经过三维模拟计算的覆冰拉索的部分驰振力系数小于零,并且驰振临界风速较小,斜拉索易发生覆冰驰振;与风洞试验和二维模拟数据比较,三维覆冰斜拉索模拟获得的气动力系数比二维更接近试验值。     

PRELIMINARY OPTIMAL DESIGN OF CABLE-STAYED BRIDGES

A methodology for preliminary design of cable-stayed bridges using optimization techniques is presented. A simple model of the bridge, comprising beam elements for the longitudinal deck girder and lower and truss elements for stay cables, is used. The computer program SADDLE is used for optimization. Constraints are placed on stresses, displacements and member sizes under multiple loading conditions. The methodology enables the designer to vary the arrangement and size of stay cables and cross-sectional dimensions of the longitudinal deck girder. Consequently an aesthetically pleasing as well as an economical and feasible design of a cable-stayed bridge can be obtained quickly and efficiently.     

索力对斜拉索动力特性的影响

针对大跨度斜拉桥拉索大幅振动控制问题,考虑由于索的初始垂度、大位移而引起的几何非线性因素的影响,同时考虑拉索与桥面连接条件和边界条件的影响,建立了拉索在参、强联合激励作用下的面内非线性振动方程。运用多尺度摄动方法,对其进行求解,以目前最长拉索为例,研究拉索初始索力的变化对其大幅振动的影响。研究结果表明:增加斜拉索的初始张拉力,将使索表现出的软弹簧特性变为硬弹簧特性,同时,拉索的振幅最大值对应的激励频率与拉索固有频率比值将由小于2改变为大于2。     

磁流变阻尼器对斜拉索振动控制研究

大跨度斜拉桥拉索的风雨振现象越来越引起人们的重视,应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制是一种新的探索。本文采用模态坐标表示的拉索运动方程和Bingham模型,对磁流变阻尼器-拉索系统的阻尼特性进行了全面仿真模拟,得到了阻尼器安装位置、外部激励大小及阻尼器输入电压等参数对系统前三阶模态阻尼比的影响规律,介绍了在洞庭湖大桥应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制的试验研究情况,试验与仿真结果具有很好的一致性,表明仿真计算模型和方法是正确的和可行的。对磁流变阻尼器减振效果的仿真计算表明,该阻尼器具有很好的减振性能。在实际风雨振发生时实测的加速度响应进一步印证了仿真结果,表明应用磁流变阻尼器能很好地抑制拉索风雨振现象,磁流变阻尼器将是抑制拉索风雨振一种非常有效的手段。这些对于应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制具有重要的指导意义。