斜拉索非线性固有振动特性分析

在考虑斜拉索静平衡时索曲线的基础上，建立了斜拉桥索大幅振动的非线性动力方程，采用傅立叶级数法研究求解了斜拉索非线性固有振动方程。还通过实例计算对斜拉索大幅振动特性进行了讨论分析。     

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。     

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。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果影响的试验研究

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.设计了索、梁和阻尼器组合系统的简化力学模型,研究了组合系统在具备不同力学特性时,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响.分析结果表明,主粱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,尤其是对于有可能产生索、梁耦合大幅振动的拉索必须考虑主梁参与振动的影响.     

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.     

斜拉桥斜拉索的风荷载、风致振动与控制

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一,其承受的风荷载占大桥总体风荷载的很大比例,准确掌握其风荷载对设计具有重要意义;同时,由于斜拉索的风致振动发生频繁,危害严重,其风致振动的机理是研究热点和难点问题,振动控制措施是设计中需要重点考虑的问题。该文全面总结了斜拉索风荷载计算方法、风致振动的种类和相关机理,介绍了利用气动措施进行振动控制的最新研究成果,为相关的机理研究和斜拉索的振动控制设计工作提供参考。     

随机车载激励的斜拉索非线性振动响应极值预测

为了预测随机车辆荷载作用下斜拉索非线性振动的响应极值,采用蒙特卡罗随机抽样法生成随机车流荷载,求解随机车流荷载在斜拉索梁端和塔端产生的位移;将索端车致位移作为斜拉索的外部激励输入,采用龙格-库塔数值方法求解斜拉索的非线性空间耦合振动响应;基于经典Rice公式极值预测理论,提出随机车载激励的斜拉索非线性振动响应极值预测方法。实际工程的应用结果表明：车辆荷载为斜拉索的梁端提供了较大的竖向和纵向位移激励,为塔端提供了较大的纵向位移激励,其对拉索的轴向和面内振动响应影响较大,对拉索的面外振动响应影响较小;斜拉索的车致振动响应极值随着车流密度和重现期的增大而增大;经典Rice公式对斜拉索车致振动响应界限跨阈次数的拟合效果很好,提出的斜拉索非线性振动响应极值预测方法有效可靠且在工程实践中应用方便。     

基于非线性振动的斜拉索参数识别无模型方法

基于非线性振动理论提出了斜拉索参数识别的无模型方法.该方法以由奇异摄动法所获得的斜拉索自振频率解析表达式为依据,根据斜拉索频率测试结果和计算值之差构建目标函数,将斜拉索索力、索长等关键参数作为待识别参数,采用最优化方法实现参数识别.通过试验验证了方法的有效性并和有模型方法的识别结果进行了对比.研究表明,所提出的方法可以显著提高斜拉索动力响应分析结果的准确性;无模型方法和有模型方法精度相当.而无模型方法在求解效率、方法的易用性等方面更具优越性,更便于实际工程应用.     

斜拉索非线性振动信号粒子滤波分析与应用

针对斜拉索非线性振动信号采用粒子滤波（PF）算法进行信号处理与应用。采用有限差分法对索-梁耦合系统非线性动力学方程进行时间维度的离散化处理,获得斜拉索单个位置上振动离散非线性方程;采用最小二乘法对该离散非线性振动方程进行拟合获得粒子滤波所需系统状态方程;利用该状态方程对采集的非线性振动信号进行粒子滤波处理,获得优良的非线性去噪信号及信号稳定跟踪预测功能。经大量仿真实验与大桥斜拉索非线性振动信号实际测试,表明在采样频率足够大情况下, PF算法可有效去除斜拉索非线性振动信号噪声,并提供稳定可靠的信号跟踪与预测技术。     

斜拉索风雨激振的数值模拟研究

为研究斜拉索风雨激振的发生机理,该文对带固定水线的斜拉索二维模型进行CFD 数值模拟,得到了气动力系数随上水线位置变化的曲线,并分析了上水线对拉索气动特性的影响。将CFD 计算得到的气动力系数曲线代入风雨激振二维两自由度模型中进行数值求解,实现了对风雨激振现象的完全数值模拟。然后对比风雨激振人工模拟降雨风洞试验测得的结果,分析了平均风速和脉动风速的影响。研究表明,上水线的振荡是诱发风雨激振的主要原因,且考虑风速脉动后的斜拉索振动及水线振荡更接近试验结果。     

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。     

阻尼器对拉索风雨激振的控制效果研究

斜拉桥拉索风雨激振的机理目前还没有定论,人们采取了许多控制风雨激振的措施,在拉索端部安装阻尼器就是最常用的方式之一。在作者建立的三维连续拉索风雨激振理论模型的基础上,建立了阻尼器控制三维连续拉索风雨激振的新理论模型。首先研究了有限差分法中处理阻尼器产生的狄拉克函数的近似方法;然后进行了两端不在同一水平的带阻尼器拉索的自由振动分析;最后,采用准运动水线模型和运动水线模型,研究了阻尼器对拉索风雨激振的控制效果,详细分析了阻尼器空间位置、拉索垂度等对阻尼器控制效果的影响。     

钢和CFRP拉索的振型阻尼特性研究

应用非正交粘性阻尼理论和应变能比例阻尼理论,讨论了斜拉索振型阻尼比分布特征,通过与钢索实测值的对比,验证了粘性阻尼理论的适用性。在此基础上进一步比较了钢和CFRP拉索的振型阻尼比以及粘性减振器的阻尼效果。结果表明,由于初张力产生较大的势能,按应变能比例阻尼理论计算得到的拉索面外振型阻尼比不合理,且面内振型的阻尼比分布规律与实测值也不一致。根据实测结果推断得到的钢索粘性阻尼系数大约为10-4kN·s/m―10-3kN·s/m。拉索的垂度比对振型阻尼比影响显著,而倾角的影响不大。CFRP拉索的振型阻尼比大于钢索,且粘性阻尼器的附加阻尼效果较好。     

CFRP拉索阻尼特性实验研究和理论分析

为了掌握CFRP拉索的阻尼特性以及建立相应的评价方法,用自由衰减振动试验方法测试了CFRP索、钢索以及CFRP丝、钢丝的阻尼特性,并用能量耗散原理以及振动理论探讨了拉索的结构阻尼和空气阻尼计算方法。结果表明:钢索的阻尼变化与应变能的比例关系明显,实测阻尼值与应变耗能理论计算结果一致,而CFRP拉索的阻尼实测值与理论结果之间存在一定的差异。长度1.8m的单丝阻尼与对应的应变大小相关性不大,应变耗能理论不能评价其阻尼特性,支点产生的阻尼效果不可忽视。     

斜拉桥拉索雨风振机理探讨

斜拉桥拉索在雨和风联合作用的特定条件下,会产生大幅强烈的振动.其振动机理引起了人们极大关注.将风场中带水线的拉索简化为二维含水线影响的拉索绕流问题进行了流场分析.通过计算得到了拉索的气动载荷,根据这些气动载荷,采用水线相对拉索运动和不运动的两种简化模型进行了拉索的振动分析,结果表明雨风振是涡振和驰振耦合作用的结果.     

索梁动力耦合对非线性拉索阻尼器减振效果的影响分析

索梁耦合振动会影响斜拉桥动力性能,特别是对模态阻尼比会产生不利影响.为了解索梁耦合振动对附加非线性阻尼器后拉索模态阻尼比的影响,根据吸收能量等效的原则得到了工程常用非线性阻尼器的等效线性阻尼系数.建立了由索、梁和等效粘滞阻尼器组成的理论模型,采用复模态分析方法详细研究了主梁振动频率与拉索振动频率比对拉索附加非线性阻尼器减振效果的影响.结果表明：当主梁与拉索的频率比相近时,拉索阻尼器的减振效果会大幅降低.     

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。