大跨斜拉橋拉索局部振動(dòng)特性及其影響研究.pdf

1、近年來，隨著斜拉橋跨徑的不斷增大，斜拉索結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)特性及索-橋耦合振動(dòng)特性正逐步成為大跨斜拉橋設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)新的研究課題。在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，本文系統(tǒng)的研究了拉索端部塔、梁位移激勵(lì)下平面內(nèi)拉索局部振動(dòng)特性；空間三維坐標(biāo)系下拉索面內(nèi)、外耦合振動(dòng)特性；隨機(jī)激勵(lì)下拉索振動(dòng)的面內(nèi)、面外均方根響應(yīng)特性及考慮拉索局部振動(dòng)特性的斜拉橋地震時(shí)程響應(yīng)特性。具體主要工作包括以下幾個(gè)方面： (1) 研究了平面內(nèi)拉索承受塔端、梁端諧波位移激勵(lì)

2、下的非線性振動(dòng)特性?；谂ｎD運(yùn)動(dòng)定律，考慮拉索的垂度、大位移引起的幾何非線性及拉索初始靜平衡特性，推導(dǎo)了完整的斜拉橋拉索平面內(nèi)同時(shí)承受梁端和塔端真實(shí)激勵(lì)下的振動(dòng)微分方程。增加定義了拉索振動(dòng)模型中的自振頻率修正系數(shù)，拉索振動(dòng)初始靜平衡特性參數(shù)，并修正了拉索振動(dòng)的強(qiáng)迫振動(dòng)項(xiàng)和參數(shù)振動(dòng)項(xiàng)系數(shù)。分析了拉索激勵(lì)參數(shù)及其物理參數(shù)等因素對(duì)拉索振動(dòng)特性的影響。其次，根據(jù)拉索振動(dòng)過程中的索力變化狀態(tài)，推導(dǎo)并統(tǒng)一了斜拉橋拉索平面內(nèi)振動(dòng)過程中松弛和無松弛狀態(tài)

3、下的斜拉橋拉索承受梁端位移激勵(lì)下的單變量雙控制耦合振動(dòng)微分方程組。采用Runge-Kutta分段逐步時(shí)程積分方法求解該方程組，得出了拉索振動(dòng)過程中的松弛和非松弛狀態(tài)交替變化的全過程，并詳細(xì)討論了拉索振動(dòng)松弛狀態(tài)的振動(dòng)特性及發(fā)生振動(dòng)松弛的臨界條件。 (2) 研究了空間傾斜拉索承受塔端或梁端諧波位移激勵(lì)下的非線性振動(dòng)特性?？紤]拉索振動(dòng)瞬態(tài)索力狀態(tài)變化，推導(dǎo)并統(tǒng)一了斜拉索端部任意方向位移激勵(lì)下綜合考慮拉索振動(dòng)松弛與非松弛狀態(tài)的三維空間單

4、變量雙控制非線性耦合振動(dòng)微分方程組；取不同拉索端部激勵(lì)方向角及激勵(lì)頻率值，分析了拉索面內(nèi)外耦合振動(dòng)響應(yīng)特性及面外自激振動(dòng)特性，求解了耦合振動(dòng)幅值與拉索面內(nèi)外固有頻率及激勵(lì)頻率的關(guān)系以及自激振動(dòng)產(chǎn)生的最小臨界激勵(lì)幅值；最后，根據(jù)搜索求解相應(yīng)參數(shù)下拉索振動(dòng)的相平面圖、Poincare截面圖、最大Lyapunov指數(shù)譜圖，分析和證實(shí)了拉索振動(dòng)的混沌特性。 (3) 研究了斜拉索面內(nèi)承受端部軸向零均值高斯白噪聲位移激勵(lì)下的隨機(jī)振動(dòng)特性及拉索

5、兩端不動(dòng)時(shí)承受橫橋向零均值高斯白噪聲隨機(jī)激勵(lì)下斜拉索振動(dòng)特性。推導(dǎo)了基于伊藤方程標(biāo)準(zhǔn)形的斜拉橋拉索平面內(nèi)索端承受軸向隨機(jī)位移激勵(lì)下的隨機(jī)非線性振動(dòng)微分方程。分別利用高斯截?cái)喾?、隨機(jī)線性化法、Falsone改進(jìn)隨機(jī)線性化法推出了拉索振動(dòng)狀態(tài)向量的二階矩均方微分方程，并用Mont carlo數(shù)值模擬法對(duì)近似解析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。推導(dǎo)了橫橋向隨機(jī)風(fēng)載激勵(lì)下的拉索空間三維非線性隨機(jī)振動(dòng)平衡微分方程，采用等價(jià)隨機(jī)線性化法推出了14維拉索面內(nèi)、面外橫

6、向振動(dòng)狀態(tài)向量一階均方微分方程組，利用Runge-Kutta數(shù)值積分法求解該方程組的均方根響應(yīng)特性。最后，基于Schorling穩(wěn)定性理論，采用Lyaponov指數(shù)判斷系統(tǒng)在隨機(jī)激勵(lì)下的穩(wěn)定特性。 (4) 對(duì)鄂東大橋全橋及拉索局部振動(dòng)動(dòng)力特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)合前述推導(dǎo)的拉索振動(dòng)一階自振頻率理論計(jì)算方程，并建立考慮拉索局部振動(dòng)有限元模型(MECS)和不考慮拉索局部振動(dòng)有限元模型(OECS)兩種計(jì)算模型，研究了兩種模型下橋梁各主要

7、構(gòu)件的振動(dòng)能量分布特性，分析了拉索自振頻率及全橋結(jié)構(gòu)自振頻率的關(guān)系，并從橋梁各部分構(gòu)件自身能量轉(zhuǎn)換的角度為出發(fā)點(diǎn)，判斷了拉索可能發(fā)生大幅局部振動(dòng)的拉索編號(hào)及頻率匹配關(guān)系，選取具有代表性的Z16、Z30號(hào)拉索為研究對(duì)象，運(yùn)用第三章的計(jì)算公式，分析了拉索的局部振動(dòng)特性，并近似計(jì)算了指定激勵(lì)幅值下抑制全橋斜拉索發(fā)生參數(shù)振動(dòng)所需的最小模態(tài)阻尼比。 (5) 研究了考慮斜拉索局部振動(dòng)影響下的大跨斜拉橋抗震性能。以鄂東大橋?yàn)閷?shí)例，結(jié)合ANSYS