大跨度桥梁斜拉索的参数振动及索力识别研究

摘要

随着斜拉桥跨度的不断增大，斜拉索变得越来越长(苏通大桥最长拉索已达到580m)，因此为保证整个桥梁结构的安全性、耐久性以及延长桥梁结构的使用寿命，拉索的振动问题越来越引起各国学者的高度重视。本文针对可能引起拉索大幅振动的参数振动问题，以理论分析、模型试验和实际工程应用相结合的方法，深入系统的研究了大跨度桥梁斜拉索的参数振动及索力测识别问题。本文的研究内容具体包括以下几个部分
　　首先在不考虑拉索倾角的情况下，分别建立了水平拉索的索-桥非耦合以及索-桥耦合两种参数振动模型。采用Galerkin法对两种参数振动模型的微分方程进行解耦并考虑前两阶模态组合的影响，通过多尺度法对振动方程近似求解分析，讨论模型的内共振响应特性，并利用数值方法模拟两种模型下，拉索在各共振频点处发生内共振的位移响应特性及索力时程变化规律。研究表明：拉索的第一阶模态在内共振频点2:1和1:1处发生大幅“拍”振，而第二阶模态则仅在2:1处发生大幅“拍”振，理想激励下的索-桥非耦合模型，由于端部有外界能量的不断输入，使其较索-桥耦合模型的位移响应较大，且衰减较慢。
　　在考虑拉索倾角影响的情况下，建立了斜拉索在理想激励下的索-桥非耦合模型，以及在非理想激励下的索-桥耦合和索-桥-塔耦合的参数振动模型，然后对三种模型振动微分方程做无量纲化推导，并利用多尺度法进行近似求解分析，最后结合数值模拟方法对耦合方程组进行数值求解。讨论了拉索发生参数振动的起振时间，对比不同长度拉索发生参数振动的频比范围，并进行参数分析。重点针对索-桥-塔耦合模型进行讨论分析，在三者共同参与耦合振动的情况下，当桥面与拉索的频率满足参数振动频比关系2:1时，即系统发生1:2:1或2:2:1内共振时，振动在持续一段时间后将发散；而当系统发生1:1:1或2:1:1内共振时，拉索、桥塔和桥面位移同时出现耦合“拍”振的情况，且桥面和桥塔的振动位移与远大于初始位移条件，系统各部分都被完全激励起来。
　　除了将桥面激励简化为理想激励和弹簧-质量块耦合系统进行参数振动研究外，建立斜拉桥索-梁组合结构的非线性振动模型，进一步研究索-梁耦合模型下斜拉索的参数振动问题。同样利用多尺度法对无量纲形式的耦合振动微分方程组进行近似求解分析，并探讨该模型的内共振响应特性，最后结合数值模拟方法，讨论索-梁耦合模型在各内共振频比点下的动力响应规律。研究表明：在梁初始位移条件较大的情况下，当满足ω=和b2ω=两种频比关系b1时，拉索都发生大幅“拍”振，但在梁初始位移较小的情况下，当满足ω=b2的频比关系时，小幅激励仍然引起拉索的大幅“拍”，由此说明即便是桥面梁的微幅振动，也将引起斜拉索的大幅振动。在对考虑索-梁组合结构的参数振动模型研究的基础上，进行支座激励下斜拉索的参数问题研究。支座的位移激励方向与斜拉索轴向成一定的夹角，有别于理想轴向激励和将桥面简化为弹簧-质量块的参数振动问题。建立了斜拉索在端部支座激励下的非线性振动模型，利用多尺度法对无量纲形式的振动微分方程进行近似求解，通过讨论可知，支座激励频率除了单独或同时与斜拉索频率满足内共振频比关系时将引起拉索的大幅振动外，当支座激励频率的组合满足ωω±=、B A0ωω±=和B A1ωω±=关系时，也将引起拉索的大幅振B A2动，尤其是满足参数共振时的共振响应更大。
　　为了进一步认识支座激励下斜拉索的参数振动问题，进行了室内斜拉索模型在支座激励下的参数振动试验研究。利用作动器模拟桥面，给斜拉索端部施加谐波激励，对内共振的频比关系2:1、1:1及1:2进行不同激励幅值下的多工况试验分析。由分析结果可知，由于参数振动频比关系2:1引起的拉索振动幅值较大，而拉索在振动过程中受端部刚性连接件及面外振动的影响较大，故试验分析与数值模拟结果的幅值一致，而试验索“拍”振时间间隔较大，且衰减较快，但1:1及1:2两种频比关系在小激励幅值下，试验分析和数值模拟结果吻合较好。综合试验与数值对比结果可知，该试验很好的验证了斜拉索在支座激励下发生大幅参数振动现象的这一理论。
　　最后针对现场索力识别的精度问题，以实际工程的现场试验为研究背景，主要针对索力识别方法、索力识别精度等问题进行研究，并结合得到的部分研究成果，开发高精度的索力测试仪器。

目录

工学博士学位论文

Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 斜拉索振动及研究现状

1.2.1 斜拉索参数振动的相关研究

1.2.2 斜拉索-梁组合结构参数振动的相关研究

1.3 课题研究的主要方法及相关概念

1.3.1 非线性研究方法介绍

1.3.2 与参数振动有关的概念

1.4 课题的主要研究内容

1.5 课题的创新点

第2章 水平拉索的参数振动研究

2.1 引言

2.2 不考虑索-桥耦合的水平拉索面内参数振动研究

2.2.1 水平拉索非耦合参数振动的运动微分方程

2.2.2 多尺度法求解

2.2.3 数值算例分析

2.3 考虑索-桥耦合的水平拉索面内参数振动研究

2.3.1 水平拉索索-桥耦合的参数振动运动微分方程

2.3.2 多尺度法求解

2.3.3 数值算例分析

2.4 本章小结

第3章 斜拉索的参数振动研究

3.1 引言

3.2 不考虑索-桥耦合的斜拉索面内参数振动研究

3.2.1 斜拉索在轴向激励下参数振动的运动微分方程

3.2.2 多尺度法求解

3.2.3 数值算例分析

3.2.4 参数分析

3.3 考虑索-桥耦合的斜拉索面内参数振动研究

3.3.1 斜拉索索-桥耦合的参数振动运动微分方程

3.3.2 数值算例分析

3.4 考虑索-桥-塔耦合的斜拉索面内参数振动研究

3.4.1 斜拉索索-桥-塔耦合的参数振动运动微分方程

3.4.2 多尺度求解

3.4.3 数值算例分析

3.5 本章小结

第4章 考虑索-梁组合的斜拉索参数振动研究

4.1 引言

4.2 索-梁组合结构的参数振动研究

4.2.1 索-梁组合结构的运动微分方程

4.2.2 多尺度法求解

4.3 数值算例分析

4.3.1 索-梁组合结构2:1参数振动响应特性

4.3.2 索-梁组合结构1:1主振动响应特性

4.3.3 索-梁组合结构1: 2超谐波振动响应特性

4.3.4 索-梁组合结构其它频点的振动响应特性

4.4 本章小结

第5章 斜拉索在支座激励下的参数振动分析

5.1 引言

5.2 斜拉索在支座周期激励下的参数振动研究

5.2.1 斜拉索在支座周期激励下运动微分方程的推导

5.2.2 多尺度法求解

5.3 数值算例分析

5.3.1 支座激励的扫频分析

5.3.2 支座激励组合频率的共振分析

5.4 参数分析

5.4.1 倾角的影响

5.4.2 相位角的影响

5.4.3 激励幅值的影响

5.5 本章小结

第6章 斜拉索在支座激励下的参数振动试验研究

6.1 引言

6.2 斜拉索在支座激励下参数振动的试验方案

6.2.1 斜拉索模型概况

6.2.2 试验原理及现场布置

6.2.3 试验系统

6.2.4 试验仪器及设备

6.3 斜拉索自由振动试验

6.3.1 模型拉索动力特性的有限元建模分析

6.3.2 模型拉索动力特性的室内试验分析

6.4 斜拉索在支座周期激励下的内共振试验研究

6.4.1 斜拉索在支座周期激励下2:1参数振动试验研究

6.4.2 斜拉索在支座周期激励下1:1内振动试验研究

6.4.3 斜拉索在支座周期激励下1:2内振动试验研究

6.5 本章小结

第7章 斜拉桥索力识别的精度分析及仪器开发

7.1 引言

7.2 斜拉桥索力识别的基本方法

7.2.1 振动法索力识别原理

7.2.2 实用公式法索力识别

7.2.3 有限元法索力识别

7.3 松花江四方台斜拉桥拉索的索力识别试验

7.3.1 工程概况

7.3.2 现场试验

7.3.3 斜拉索实测信号的处理分析

7.3.4 斜拉桥索力识别结果分析

7.4 斜拉桥索力识别的精度分析

7.4.1 采样时间和采样点数的影响

7.4.2 抗弯刚度的影响

7.4.3 频率分辨率的影响

7.4.4 边界条件的影响

7.4.5 减振装置的影响

7.5 斜拉桥索力识别仪器的开发

7.5.1 识别仪介绍

7.5.2 识别仪的主要特点

7.5.3 识别仪的主要性能参数

7.5.4 识别仪的构成

7.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历