考虑斜拉索刚度、垂度、阻尼的非线性运动方程研究

随着斜拉桥跨径的快速增长,斜拉索的长度也大大增加,斜拉索是斜拉桥的主要受力构件,其在外荷载作用下经常引发大幅振动,这样就降低了斜拉索的寿命或造成拉索的破坏,因此研究斜拉索的非线性运动方程对解决振动问题具有实际工程的意义。本文在考虑斜拉索非线性静平衡曲线、抗弯刚度、粘滞阻尼影响的斜拉索平面内非线性振动的基础上,建立了斜拉索非线性运动方程。采用Galerkin法解耦了斜拉索非线性运动方程,并运用Runge-Kutta法对其自由振动和周期强迫振动两种情形进行了求解,最后,通过对该索的理论计算数据与原型仿真数据的对比分析,可知上述非线性方程比传统的线性方程更精确。本文的研究为今后斜拉索的非线性分析及其振动控制奠定了一定的理论基础。     

MR阻尼器对斜拉索共振峰频率漂移的影响

本文采用Spencer提出的MR模型,对斜拉索和MR阻尼器组成的系统进行了动力分析,考察了MR阻尼器型号、安装位置、施加的电压以及斜拉索基频(张力、索长、质量)、激励荷载(类型、频率、大小)等各种因素对斜拉索共振峰频率漂移的影响。进而对钱江三桥南岸154m长的斜拉索进行了现场试验。斜拉索自由振动的衰减信号通过阶跃激励的方法获得,经小波变换、Hilbert变换识别出系统的共振峰频率,并与斜拉索在安装油阻尼器和无阻尼器两种情况进行了比较。计算了杭州湾大桥330m长的索在被动控制、半主动控制下的各阶共振峰频率。研究表明,斜拉索在安装MR阻尼器后共振峰频率略微增大。其影响程度比安装油阻尼器时要大。因此MR阻尼器的制振效果除主要来自耗能外,还有部分来自调频作用。     

斜拉索局部振动对结构地震响应的影响

以苏通长江公路大桥为研究对象,将斜拉索分成若干等长度的单元模拟斜拉索局部振动,以探讨其对结构地震响应的影响。计算结果表明:考虑斜拉索局部振动后,结构的自振频率变化较小;由于斜拉索基频与结构基频相近,斜拉索在地震动作用下,大幅振动,同时索—梁耦合振动明显,主梁和主塔内力降低,主塔根部弯矩明显减小。     

采用Ernst公式计算斜拉桥拉索振动特性的精度分析

斜拉桥拉索的动力特性是建立在斜拉桥的静力分析的基础上的.在静力分析中,几何非线性明显的索经常通过Ernst公式线性化成二力杆,但是,在动力分析中,很少有人研究过Ernst公式的精度.编制了基于弹性悬链线单元的斜拉索的非线性有限元分析程序,该程序可以一根索的任何一个参数值为已知条件来确定索的状态,研究了斜拉索不同张拉阶段索的频率和振型特性,并比较了Ernst公式计算拉索动力特性的精度和适用范围.     

面内端部激励下斜拉索振动方程推导与求解

为精确描述面内端部激励下拉索非线性振动机制,构建抽象端部激励下的拉索力学描述模型,分别推导了拉索拟静态振动和模态振动控制方程,基于有限差分法给出了拉索模态振动的数值求解方法。由于垂度效应的影响,在轴向、竖向以及轴向和竖向共同激励下拉索的拟静态索力与端部位移采用一个非线性方程予以表征。拉索拟静态振动可视作外部激励施加在拉索上,引起拉索的非线性模态振动,通过理论推导分别求得模态振动的控制方程和变形协调方程。在模态振动过程中,拉索的动力特性(如刚度和周期)不断变化,索力和拉索变形相互耦合,使得其求解非常复杂。采用有限差分法进行数值求解,并基于有限元方法验证了数值求解方法的准确性。重点讨论了拉索模态振动共振机制,结果表明,在轴向、竖向以及轴向和竖向激励下,拉索模态振动存在多个共振区域,包括小周期、0.5T₁、T₁和2T₁等(T₁为成桥状态下拉索基本振动周期);在共振区域内,拉索振动索力幅度较大,模态振动对总索力的贡献系数较高,超过0.4,在实际工程中不容忽视;拉索阻尼对模态振动的影响较大,增加拉索阻尼比将改...     

斜拉索风雨激振水线的超声波测试研究

斜拉索风雨激振是在风和雨联合作用下的大幅值振动,斜拉索表面水线的形成和振荡是其发生风雨激振的一个重要原因。本文利用超声波传播和反射原理,建立一套适应于斜拉索表面水线监测的超声波测试系统,对水线特征进行定量的分析研究。在风洞中再现斜拉索的风雨激振,在测量斜拉索风雨激振响应的同时,测量得到斜拉索表面水线的振荡时程,分析了水线振动幅值与平衡位置,并得到上水线振荡频率与斜拉索风雨激振的频率相等。     

基于灵敏度分析的斜拉桥拉索更换顺序研究

通过对部分换索桥梁换索顺序的调研,按照拉索不同的布置形式,总结了目前拉索更换所采用的主要顺序,并利用有限元分析方法对某双塔双索面斜拉桥进行了模拟换索,分析得到了偏于安全的换索顺序。通过拆单根索的弯曲应变能的变化,分析了斜拉桥换索的整体顺序。通过分析不同换索工况下的索力增量变化规律,包括单塔拆1根、双塔同侧索面对称拆4根、双塔不同侧索面反对称拆4根等3种工况,对拉索更换顺序进行了研究,并对其中的同侧索面和不同侧索面拆除4根拉索的工况进行了主梁线形的分析,建立了有限元模型。分析认为,斜拉桥拉索的更换宜从短索向长索反对称进行。     

润扬斜拉桥有限元模拟及模态分析

本文主要研究润扬长江大桥北汊斜拉桥以结构健康监测和状态评估为目标的空间有限元模型建立过程中的一些基础性问题。在建模过程中,尽可能多地考虑了一些影响全桥有限元模型精度的因素:如斜拉索的几何非线性(重力垂度和初始应力),将构造正交各向异性钢箱梁桥面板用复合材料力学的方法等效为物理正交各向异性板等。然后应用所建立的有限元模型进行模态分析,最后将有限元模态计算结果与环境振动试验结果进行比较,验证了润扬斜拉桥有限元模型的有效性。由此建立的有限元模型可以为该桥的结构健康监测和状态评估提供分析的基础。     

拉索松弛对独塔斜拉桥地震反应的影响

为了研究地震作用下斜拉桥拉索松弛对独塔斜拉桥地震反应的影响,采用桁架单元模拟斜拉索,考虑拉索垂度效应,基于OpenSees平台建立了考虑成桥状态及拉索松弛的全桥有限元模型,输入5条强震记录进行地震反应分析,探究了斜拉索松弛及其对斜拉桥关键部位地震反应的影响规律。结果表明:强震作用下独塔斜拉桥的拉索会产生松弛,但拉索松弛现象仅发生在部分边索中;拉索松弛对最不利受力索的位置和最大索拉力影响可以忽略;拉索松弛可能增大也可能减小结构地震反应,其影响不可忽略且受地震动的频谱影响较大,应引起设计的注意。     

提高斜拉索索力估算精度的方法

振动法是测量实际索力的首选方法,但其测试精度会受到外界环境因素如温度、风和桥面对拉索作用等的影响。本文围绕如何将外界环境因素的影响降至最小,从测量时机的选取、数据处理方法的选择等方面,综合运用随机振动、风工程、非线性和误差分析理论,提出了提高拉索索力估算精度的实用改进方法,得出了一些有意义的结论。并通过哈尔滨松花江斜拉桥实例进行验证对比,结果表明,该方法具有较高的精度。     

Modeling of cable vibration effects of cable-stayed bridges

The analysis of dynamic responses of cable-stayed bridges subjected to wind and earthquake loads generally considers only the motions of the bridge deck and pylons. The influence of the stay cable vibration on the responses of the bridge is either ignored or considered by approximate procedures. The transverse vibration of the stay cables, which can be significant in some cases, are usually neglected in previous research. In the present study, a new three-node cable element has been developed to model the transverse motions of the cables. The interactions between the cable behavior and the other parts of the bridge superstructure are considered by the concept of dynamic stiffness. The nonlinear effect of the cable caused by its self-weight is included in the formulation. Numerical examples are presented to demonstrate the accuracy and efficiency of the proposed model. The impact of cable vibration behavior on the dynamic characteristics of cable-stayed bridges is discussed. Supported by: Natural Science and Engineering Research Council of Canada     

单索面混凝土矮塔斜拉桥的动力特性

以厦门银湖矮塔斜拉桥为例,通过引入拉索自振频率影响度的概念,分析了拉索的存在对矮塔斜拉桥自振特性的影响,探讨了矮塔斜拉桥的自振特性与相应连续梁桥(或刚构桥)的区别;在分析矮塔斜拉桥地震反应的基础上,通过引入振型贡献率的概念,分析了高阶振型对矮塔斜拉桥动力性能的影响;分析了矮塔斜拉桥的振型耦联效应。最后首次较全面地总结了单索面混凝土矮塔斜拉桥的动力特性,对进一步认识矮塔斜拉桥的动力性能有一定的参考意义。     

Numerical simulation of dynamic characteristics of a cable-stayed aqueduct bridge

In this paper, a full-scale 3-D finite element model of the Jundushan cable-stayed aqueduct bridge is established with ANSYS Code. The shell, fluid, tension-only spar and beam elements are used for modeling the aqueduct deck, filled water, cables and support towers, respectively. A multi-element cable formulation is introduced to simulate the cable vibration. The dry (without water) and wet (with water) modes of the aqueduct bridge are both extracted and investigated in detail. The dry modes of the aqueduct bridge are basically similar to those of highway cable-stayed bridges. A dry mode may correspond to two types of wet modes, which are called the in-phase (with lower frequency) and out-of-phase (with higher frequency) modes. When the water-structure system vibrates in the in-phase/out-of-phase modes, the aqueduct deck moves and water sloshes in the same/opposite phase-angle, and the sloshing water may take different surface-wave modes. The wet modes of the system reflect the properties of interaction among the deck, towers, cables and water. The in-phase wet frequency generally decreases as the water depth increases, and the out-of-phase wet frequency may increase or decrease as the water depth increases.     

斜拉桥结构减震设计优化研究

位于中强以上地震烈度区的大跨斜拉桥结构,如果采用传统的抗震设计方法,通常很难满足结构的抗震设计要求,因此采取一定的减震措施显得非常必要。本文以某一总长为2 088m的大跨双塔双索面斜拉桥为分析算例,对斜拉桥结构的减震设计进行了研究。合理的减震结构体系是取得良好减震效果的前提,通过分析对比,该大跨斜拉桥横向采用局部减震体系最为合理,即只在近塔辅助墩处设置横向粘滞阻尼器,其它塔、墩处采用常规的横向约束方案。为使减震结构得到更好的减震效果,还应对减震装置参数进行优化设计。由于采取了合理的减震结构体系、较优的减震装置参数,使该大跨斜拉桥取得了很好的减震设计效果。     

基于弹性拉索的超高墩三塔斜拉桥减震效果研究

为探究超高墩三塔斜拉桥在弹性拉索装置下的减震效果,首先利用SAP2000建立了考虑支座非线性和拉索几何非线性的三维有限元模型;其次基于弹性拉索装置,研究了弹性拉索刚度对三塔斜拉桥地震响应的影响;最后基于数值分析结果并结合某三塔斜拉桥实际工程提出3种减震方案。研究表明:在两边塔塔梁结合处设置弹性拉索可显著减小桥梁在地震作用下的内力和位移响应;提出的方案1(两边塔单根弹性索均为50股,单股刚度均为12000kN/m)、方案2(两边塔单根弹性索均为100股,单股刚度均为10000kN/m)和方案3(15#主塔单根弹性拉索100股,单股刚度10000kN/m;17#主塔单根弹性拉索100股,单股刚度为16000kN/m)相较于无弹性索状态,均可有效降低主塔塔底弯矩、塔底剪力、塔顶位移及主梁纵向位移;相较于方案1,方案2和方案3是更优方案。