大跨度斜拉橋非線性振動試驗研究.pdf

1、大跨度斜拉橋非線性振動問題，一直是土木和力學領域研究熱點課題之一。大跨度斜拉橋是由主梁、主塔和斜拉索組成的組合結構體系。主塔為相對剛性的受壓構件，主梁為相對半剛性的壓彎構件，斜拉索為只受拉的柔性構件。三者受力不同，力學特性也有明顯差異，且相互間存在強烈耦合共振行為，尤其是輕柔的斜拉索易發(fā)生大幅非線性振動。為探究斜拉橋耦合共振及斜拉索大幅非線性振動相關現象機理，本文從統(tǒng)計、理論、有限元與試驗四方面進行研究。主要工作如下:
　　(1)

2、從統(tǒng)計學角度，研究了斜拉橋主梁和斜拉索力學參數的分布規(guī)律和參數間的統(tǒng)計關系。收集了國內數十座主跨大于300 m的斜拉橋施工圖紙，統(tǒng)計了斜拉索和主梁相關力學參數，探究了各參數所服從的分布規(guī)律，研究了部分參數間的統(tǒng)計學關系，確定了各參數滿足95％置信度的取值范圍，為后續(xù)理論分析和試驗設計提供實際依據。研究表明:各參數均能良好的服從某統(tǒng)計學分布規(guī)律;不同材料主梁相對豎向和橫向抗彎剛度無明顯差異，而相對軸向剛度和線重明顯不同。斜拉橋跨度越大各項

3、剛度和線重均呈減小趨勢，該“輕柔”特性使其更易產生大幅振動;隨著跨徑增大主梁各剛度及重量的變化相互間不成比例，斜拉橋跨越能力增大主要依靠斜拉索體系支撐，然而，一味依靠斜拉索體系又將面臨主梁軸向受壓強度和穩(wěn)定性不足的問題。因此，若要進一步提升斜拉橋跨度需采用新結構體系;
　　(2)建立了兩端均承受三個方向激勵的斜拉索非線性運動方程?；谠摲匠滩⒔Y合大跨度斜拉橋常見振型，分別研究了斜拉橋縱向漂移振動，主梁側向激勵和兩端水平激勵下斜拉索

4、非線性振動特性。研究表明:主梁小幅縱向漂移可有效減小拉索大幅振動，而完全固結或大幅縱向漂移將加劇拉索大幅振動。從減小斜拉索非線性大幅振動出發(fā)，大跨度斜拉橋應設計成漂浮或半漂浮體系，并設置合理主梁縱向約束剛度。研究為大跨度斜拉橋設計成漂浮或半漂浮體系提供了非線性動力學依據;強迫振動和參數激勵是兩種基本激勵模式，若斜拉索端部激勵沿索軸向分量之和(b)w及橫向分量之和(a)u不變，則斜拉索響應不變;兩端水平激勵斜拉索僅考慮亞諧波共振時，可將上

5、下端激勵幅值疊加，按一端水平激勵計算，但若考慮主共振則不能如此簡化;
　　(3)試驗研究了斜拉索自由振動和強迫振動下的非線性振動特性。研究表明:重力效應使斜拉索面內一階頻率稍大于面外一階頻率，但其對面內外二階影響很小。試驗直接觀測到斜拉索非線性振動“跳躍”過程，對該過程斜拉索空間運動形態(tài)和規(guī)律的研究表明:斜拉索發(fā)生“跳躍”時空間運動經歷了3個過程，而不是僅僅是振幅突然改變。同時，試驗還觀測到斜拉索面內外共振區(qū)不一致現象;
　

6、　(4)試驗觀測到豐富的索梁耦合振動現象。主梁的影響使斜拉索面內頻率大于對應的面外頻率，頻率法測試索力時，索力換算公式并未考慮該影響，故應測試斜拉索面外頻率而不是面內頻率;無論索梁結構發(fā)生自由振動還是強迫振動，主梁和斜拉索間或斜拉索自身均可存在不同模態(tài)間的相互耦合振動和能量傳遞;梁振動與其激發(fā)起來的索面內、外振動間存在一定時間“滯后”;結構非線性振動使主梁面內振動偏離中心位置;
　　(5)制作了精細的斜拉橋全橋非線性振動試驗模型，