低张力缆索有限元模型及其应用

为准确计算缆索在低张力时的运动状态,该文考虑缆索低张力状态时的拉伸刚度、弯曲刚度和扭转刚度,建立了一种适用于低张力缆索的三维有限元模型。首先基于细长杆理论推导了缆索的动力学微分方程,接着以三次样条曲线为试函数,运用Galerkin加权残值法导出了单元刚度矩阵,最后对其进行组合建立了缆索的整体矩阵方程,并采用Matlab编写了求解程序。将其应用于实例中,所得结果与实验结果相一致。研究成果为拖曳缆、系泊缆、潜行器脐带缆等海洋缆索的运动分析与设计提供了理论依据。     

空间主缆自锚式悬索桥成桥状态的确定方法

基于空间主缆自锚式悬索桥受力的内在要求,明晰了成桥状态确定的总体流程;从主梁受力合理(弯矩合理)的要求出发,获得了成桥状态吊索合理竖向力的确定方法;在阐述空间主缆找形解析法基本方程和吊索竖向力确定方法的基础上,给出了能确保收敛的空间主缆找形和吊索参数计算的具体步骤和方法;根据成桥状态吊索仅在横桥向倾斜的条件,推得了空间主缆线形变化刚度计算的递推公式。从而建立了概念明确、思路清晰、便于编程的空间主缆自锚式悬索桥成桥状态确定的高效高精度方法。杭州江东大桥的工程实例表明了该文方法的高效率、高精度。     

不同剪切变形下橡胶隔震支座竖向压缩刚度试验研究

针对橡胶隔震支座,研究了其在不同水平剪切变形状态下的竖向压缩刚度理论计算方法,基于双弹簧模型,提出了改进的不同剪切变形状态下橡胶隔震支座竖向压缩刚度理论计算公式。采用建筑结构中常用的第二形状系数S 2=5系列(G4)天然橡胶支座及铅芯橡胶支座,进行了不同压应力及不同剪切变形下的压缩性能试验,通过试验研究不同水平剪切变形状态下的橡胶隔震支座竖向压缩刚度。研究结果表明:橡胶隔震支座竖向压缩刚度随剪应变增大而减小,随设计压应力增大而增大;在设计压应力相同的条件下,橡胶隔震支座竖向压缩刚度随压应力变化范围的增大而减小;基于橡胶隔震支座有效承载面积的公式虽能反映支座竖向压缩刚度随剪应变增大而减小这一趋势,但与试验结果相比误差较大;既有的基于双弹簧模型的竖向压缩刚度计算公式计算精度优于基于有效承载面积的竖向压缩刚度计算公式,但在150%以上剪应变时,也存在误差较大的问题;提出的改进的基于双弹簧模型的不同剪切变形状态下橡胶隔震支座竖向压缩刚度计算公式与试验结果吻合较好,与既有基于有效承载面积计算橡胶隔震支座竖向压缩刚度和基于双弹簧模型的计算橡胶隔震支座竖向压缩刚度的公式相比较,具有较高的计算精确度。     

大跨径悬索桥施工期暂态主缆驰振控制

基于预应力索结构的静动力和瞬态分析,对东海某大跨径悬索桥施工期暂态主缆的辅助索制振参数进行了研究,同时研究了用辅助索控制暂态主缆驰振失稳的具体方案,采用了考虑几何非线性影响的有限元数值分析研究方法,总结了驰振及辅助索制振的研究现状,建立了该悬索桥施工期暂态主缆-猫道系统的有限元模型,研究了辅助索位置、布置方式和刚度大小对暂态主缆1阶竖向振动频率的影响;研究了辅助索阻尼、刚度和个数对暂态主缆面内等效阻尼比的影响;最后研究了辅助索控制暂态主缆驰振的具体方案。结果表明:为了提高暂态主缆1阶竖向振动频率,辅助索应该对称竖向布置,且增大辅助索的数目特别是跨中设置辅助索可以较大幅度地提高该频率值;增加辅助索的直径和个数可以较大地增加对暂态主缆的面内制振效果;在该悬索桥中跨12分点处对称竖向布置每组由1根直径为10mm的钢筋组成的11组辅助索时即可控制暂态主缆的驰振失稳。     

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。     

考虑拉力修正抗弯刚度的缆索频率计算

拉索的抗弯刚度在其频率特性计算中具有重要影响。目前相关研究都认为缆索抗弯刚度在不同条件下都是定值,但最近的试验与理论研究发现,缆索抗弯刚度是一个与缆索拉力相关的参数。因此,频率计算中的抗弯刚度取值,也应根据缆索拉力进行修正。该文提出了考虑拉力影响的修正抗弯刚度的非线性模型,进而推导频率计算公式,算例结果表明要获得更精确的频率结果必须采用拉力修正的抗弯刚度,特别是对于短索。     

考虑拉力修正抗弯刚度的缆索频率计算

拉索的抗弯刚度在其频率特性计算中具有重要影响。目前相关研究都认为缆索抗弯刚度在不同条件下都是定值,但最近的试验与理论研究发现,缆索抗弯刚度是一个与缆索拉力相关的参数。因此,频率计算中的抗弯刚度取值,也应根据缆索拉力进行修正。该文提出了考虑拉力影响的修正抗弯刚度的非线性模型,进而推导频率计算公式,算例结果表明要获得更精确的频率结果必须采用拉力修正的抗弯刚度,特别是对于短索。     

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.     

悬索桥主缆线形解析方程解及应用

假设悬索桥主缆自重沿弧长均匀分布,加劲梁、桥面等其余恒载沿水平均匀分布,按考虑和不考虑主缆弹性伸长对主缆线比重影响的计算模型,根据主缆微元的力学平衡关系,通过引入一个参数u(shu=dy/dx),分别导出了悬索桥主缆成桥线形的解析参数方程。由边界条件,将定解问题转化为一组非线性方程组,以抛物线理论值为求解初始值,采用拟牛顿法求解中跨端点未知参数和主缆张力的水平分量。然后通过改变参数u来确定主缆线形坐标。最后由积分法导出了主缆索有应力和无应力长的计算公式。算例结果表明两种计算模型收敛速度较快,计算精度较高,都可以用于悬索桥设计与施工计算。     

大跨度柔性斜拉-悬索体系风致静动力响应研究

在风作用下大跨度斜拉-悬索体系具有明显的三维流动特点, 其风效应较为复杂, 同时斜拉-悬索体系跨度大、刚度小、对风作用较为敏感, 易产生风致振动。该文以空中客车系统为工程背景, 首先通过1∶1足尺节段模型风洞试验得到主缆和轨道的气动力系数, 然后在分析风、主缆、轨道三者相互作用的基础上, 对有限元分析软件ANSYS进行二次开发, 建立风、主缆、轨道非线性空间分析模型, 通过风荷载的自动加载, 实现风致静动力响应全过程仿真模拟, 从而得到主缆、轨道的静动力响应。计算结果表明, 结构整体表现较柔, 在设计风速下轨道和主缆横向位移较大, 结构横向总响应较竖向总响应要大得多, 结构总响应以横桥向为主。研究结论可为大跨度柔性斜拉-悬索体系的进一步优化设计提供依据。     

代换梁法在自锚式悬索桥上的推广应用

为了解决自锚式悬索桥活载内力计算问题,按照我国著名学者李国豪教授提出的代换梁法的基本原理,分析了自锚式悬索桥和传统地锚式悬索桥的构造和受力的不同点,对自锚式悬索桥提出了新的计算模型,由此导出了因活载对主缆产生水平拉力分量的计算公式,从而解决了确定自锚式悬索桥加劲梁内力的问题。通过一座桥例的分析,用该方法所得到的计算结果与空间及平面有限元法的分析值基本吻合。因此,该方法对设计具有实用意义。     

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%。     

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。     

千米级斜拉桥空间非线性合理恒载索力分析

建立了斜拉桥索力调整的空间非线性有限元分析模型，以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数、结构应力及索力为约束条件，采用一阶最优化计算方法进行求解，用以确定成桥合理状态的索力。应用该法分析了某千米级斜拉桥的合理成桥状态，计算结果表明，该方法简单、有效。     

索的非线性有限元与调索方法研究

介绍了索单元几何非线性刚度的各种模拟方法并进行了评述,采用悬链线理论推导了一种新的柔性索单元切线刚度矩阵及单根柔索的各种非线性计算公式,用变形后线密度q的回代来反应弹性伸长和温度的影响,概念清晰、公式简洁、迭代效率高;还介绍了用增量调索法、绝对索力调索法、无应力索长调索法进行索单元张力的施加及调整的原理,而无应力索长并配合螺母旋转角度调索法可实现任意次序调索,操作性强、效率高、精度好。     

索穹顶结构施工成形及荷载试验研究

通过对一直径为4.8m的Levy型索穹顶模型的成形和荷载试验研究,得到了在成形过程中和不对称荷载作用下结构的内力和变形规律。试验结果表明:单元的初始下料长度、重力作用效应、预应力损失等均是实际工程设计中的关键问题。试验结果证实了作者提出的成形和找力分析方法可以满足索穹顶结构张拉成形要求,试验结果还证实了索穹顶结构的非保守性能。     

大跨度斜拉桥颤振主动控制研究

对受气动荷载作用的大跨度斜拉桥进行分析,对安装主动质量阻尼器（ＡＭＤ）的斜拉桥建立了全桥的三维运动方程,采用实模态对运动方程进行降阶,并根据最优控制理论,对ＡＭＤ用于大跨度斜拉桥的颤振实施主动控制进行了理论研究,推导了ＡＭＤ用于控制斜拉桥颤振的理论公式,并编写了相应的计算程序。最后,以一座斜拉桥为例,分析了ＡＭＤ对颤振的主动控制效果。     

面向索网结构关键刚度监测的目标模态测试策略

各种因素引起的预张力偏差将导致既有索网结构的刚度退化.通过测试少量的目标模态可以监测到索网结构关键刚度的变化;由于预张力偏差的随机性,最初根据索网理想(数值)结构模型确定的目标模态会在其所处的密频区内发生模态跃迁、局部化等变化;如仅依据这些理想的目标模态进行动力测试,将会降低对实际结构关键刚度偏差的监测精度;利用矩阵摄...     

环境激励下斜拉桥拉索的振动观测研究

斜拉桥拉索在风、风雨组合、交通荷载等环境激励下发生大幅振动，这种振动对拉索造成极不利的影响。为了研究拉索的振动机理和响应特征，在岳阳洞庭湖大桥建立了包括风速仪、雨量计、加速度传感器组成的拉索振动观测系统，进行了多次长时间观测。根据观测记录，采用时频分析、统计技术，对拉索涡振、风雨振、交通引起的振动等响应特征、振动与环境激励的关系、振动的模态参与性、索力变化等进行了研究，得到了一些对认识拉索振动机理、并进一步控制拉索振动具有意义的结果。