大跨斜拉橋拉索局部振動特性及其影響研究.pdf

1、近年來，隨著斜拉橋跨徑的不斷增大，斜拉索結(jié)構(gòu)的局部振動特性及索-橋耦合振動特性正逐步成為大跨斜拉橋設(shè)計過程中的一個新的研究課題。在國內(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、梁位移激勵下平面內(nèi)拉索局部振動特性；空間三維坐標系下拉索面內(nèi)、外耦合振動特性；隨機激勵下拉索振動的面內(nèi)、面外均方根響應(yīng)特性及考慮拉索局部振動特性的斜拉橋地震時程響應(yīng)特性。具體主要工作包括以下幾個方面： (1) 研究了平面內(nèi)拉索承受塔端、梁端諧波位移激勵

2、下的非線性振動特性?；谂ｎD運動定律，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)同時承受梁端和塔端真實激勵下的振動微分方程。增加定義了拉索振動模型中的自振頻率修正系數(shù)，拉索振動初始靜平衡特性參數(shù)，并修正了拉索振動的強迫振動項和參數(shù)振動項系數(shù)。分析了拉索激勵參數(shù)及其物理參數(shù)等因素對拉索振動特性的影響。其次，根據(jù)拉索振動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下的單變量雙控制耦合振動微分方程組。采用Runge-Kutta分段逐步時程積分方法求解該方程組，得出了拉索振動過程中的松弛和非松弛狀態(tài)交替變化的全過程，并詳細討論了拉索振動松弛狀態(tài)的振動特性及發(fā)生振動松弛的臨界條件。 (2) 研究了空間傾斜拉索承受塔端或梁端諧波位移激勵下的非線性振動特性?？紤]拉索振動瞬態(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下綜合考慮拉索振動松弛與非松弛狀態(tài)的三維空間單

4、變量雙控制非線性耦合振動微分方程組；取不同拉索端部激勵方向角及激勵頻率值，分析了拉索面內(nèi)外耦合振動響應(yīng)特性及面外自激振動特性，求解了耦合振動幅值與拉索面內(nèi)外固有頻率及激勵頻率的關(guān)系以及自激振動產(chǎn)生的最小臨界激勵幅值；最后，根據(jù)搜索求解相應(yīng)參數(shù)下拉索振動的相平面圖、Poincare截面圖、最大Lyapunov指數(shù)譜圖，分析和證實了拉索振動的混沌特性。 (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下的隨機振動特性及拉索

5、兩端不動時承受橫橋向零均值高斯白噪聲隨機激勵下斜拉索振動特性。推導(dǎo)了基于伊藤方程標準形的斜拉橋拉索平面內(nèi)索端承受軸向隨機位移激勵下的隨機非線性振動微分方程。分別利用高斯截斷法、隨機線性化法、Falsone改進隨機線性化法推出了拉索振動狀態(tài)向量的二階矩均方微分方程，并用Mont carlo數(shù)值模擬法對近似解析結(jié)果進行了驗證。推導(dǎo)了橫橋向隨機風(fēng)載激勵下的拉索空間三維非線性隨機振動平衡微分方程，采用等價隨機線性化法推出了14維拉索面內(nèi)、面外橫

6、向振動狀態(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)在隨機激勵下的穩(wěn)定特性。 (4) 對鄂東大橋全橋及拉索局部振動動力特性進行了詳細的分析，結(jié)合前述推導(dǎo)的拉索振動一階自振頻率理論計算方程，并建立考慮拉索局部振動有限元模型(MECS)和不考慮拉索局部振動有限元模型(OECS)兩種計算模型，研究了兩種模型下橋梁各主要

7、構(gòu)件的振動能量分布特性，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，判斷了拉索可能發(fā)生大幅局部振動的拉索編號及頻率匹配關(guān)系，選取具有代表性的Z16、Z30號拉索為研究對象，運用第三章的計算公式，分析了拉索的局部振動特性，并近似計算了指定激勵幅值下抑制全橋斜拉索發(fā)生參數(shù)振動所需的最小模態(tài)阻尼比。 (5) 研究了考慮斜拉索局部振動影響下的大跨斜拉橋抗震性能。以鄂東大橋為實例，結(jié)合ANSYS