斜拉桥拉索静力非线性分析及风雨激振研究

摘要

斜拉桥作为一种柔性组合结构体系,在很多方面都显示出其卓越的优势,因而在国内外得到了广泛地建造。而其中最主要的承重构件之一,斜拉索借助自身张力将整个结构体系有机地协调,使其始终处于稳定的平衡状态。因此,分析斜拉索的状态对研究整个结构体系的力学性能至关重要。
　　由于拉索是一种柔性构件,在自重和轴力的作用下,其空间构形呈悬链线状。随着现代斜拉桥跨度的不断增大,拉索长度也逐步增加。这势必会增大其柔度,使结构的各种非线性效应变得更为显著。同时考虑到其本身较小的质量以及较低的结构阻尼,因而极易在外界因素的激励下发生各种形式的振动,而风雨激振无疑是其中最剧烈的一种。本文以象山港公路大桥为工程背景,对包括拉索静力构形、非线性受力特性以及拉索风雨激振等问题进行了深入研究。
　　1.归纳总结了包括悬链线理论与抛物线理论在内的各种拉索静力构形解析表达式,导出相应的无应力索长计算公式,并通过算例对上述公式进行验证。结果表明:当拉索垂度较小时,用抛物线理论进行求解,其精度足以满足工程需要,不过其误差会随着拉索张力的减小而迅速增大。
　　2.研究了拉索“垂度效应”和“大位移效应”等几何非线性影响产生的原因,并阐述了用有限元理论分析该问题的思路和解决方法。利用ANSYS建立空间有限元模型,通过改变不同参数研究影响拉索非线性受力的主要因素。由计算可知:对同一拉索,角度的偏转只会造成内力的线性改变,而索力的大小才是导致内力非线性变化的根本因素。
　　3.考虑拉索空间姿态的变化,基于准定常假定,建立带运动水线的倾斜拉索刚性节段模型,并推导出拉索和水线的非线性振动微分方程组。最后应用Runge-Kutta法编写的matlab程序对该微分方程组进行求解,得到拉索在风雨激振中的响应,从而阐释其产生、发展机理。研究结果反映:拉索的风雨激振是指因其气动外形受表面水线影响,而发生的一种大幅振荡现象,该现象具有明显的“限速”、“限幅”特性;并且对于阻尼的改变相当敏感,针对这一特点,本文提出了相应的控制措施。

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第一章 绪论

1.1概述

1.2斜拉索的静力非线性研究

1.3 斜拉索风致振动

1.4 斜拉索风雨激振

1.5本文的主要工作

第二章 斜拉索静力构形分析

2.1 概述

2.2 斜拉索悬链线理论

2.3斜拉索抛物线理论

2.4不同理论计算的拉索无应力长度

2.5算例分析

2.6本章小结

第三章 斜拉索静力非线性分析

3.1概述

3.2斜拉索几何非线性的主要影响因素及处理方法

3.3几何非线性有限元方程的数值解法

3.4 算例分析

3.5本章小结

第四章 斜拉索风雨激振理论研究

4.1概述

4.2斜拉索风雨激振的产生机理

4.3斜拉索风雨激振运动微分方程的建立

4.4振动微分方程的求解

4.5算例分析

4.6本章小结

第五章 斜拉索振动控制措施

5.1概述

5.2空气动力学措施

5.3结构控制措施

5.4机械阻尼措施

5.5本章小节

结论与展望

参考文献

致谢