斜拉索-辅助索系统动力特性和减振研究

摘要

随着斜拉桥跨度的增加，斜拉索的长度也不断增大，其振动问题更加突出。仅采用气动和索端阻尼器措施已难以满足斜拉索的减振要求，辅助索减振措施将成为大跨度斜拉桥超长斜拉索减振措施的重要选择。本文针对斜拉索辅助索减振措施，研究了单索和索网结构动力特性分析理论和方法，着重讨论了索网的阻尼特性和影响因素；进行了索网结构的模型验证试验；以实际大跨度斜拉桥工程为背景，通过算例讨论了采取辅助索措施的必要性，进行了辅助索设计参数分析。研究成果为大跨度斜拉桥拉索的辅助索减振措施设计提供了理论基础和方法。本文的主要研究包括：(1)首先采用三单元Maxwell阻尼器模型模拟考虑阻尼器内刚度和支架柔度影响的拉索阻尼器，运用子结构方法建立了单根斜拉索-三单元Maxwell阻尼器系统的运动方程，推导了系统的复频率方程。实际的阻尼器都存在一定的内刚度且阻尼器支架都具有一定的柔度，为了定量研究这些因素的影响，在假定阻尼器安装位置接近锚固端(l/L《1)的前提下得到了拉索一三单元Maxwell阻尼器系统复特征频率方程的近似解析式，并给出了拉索最大模态阻尼和相应的阻尼器最优阻尼系数。研究表明，拉索的最大模态阻尼比随阻尼器内刚度和支架柔度的增大而减小；阻尼器内刚度和支架柔度对系统的最大模态阻尼比的影响是相互耦合的，而阻尼器内刚度和支架柔度对阻尼器最优阻尼系数的影响是可以线性叠加的。本文建议在辅助索位置安装阻尼器以增加索网结构的阻尼减振效果。针对这一问题，以与阻尼器并联的弹簧模拟辅助索的刚度，与阻尼器串联的弹簧模拟相邻斜拉索的支撑柔度，其模型同样可化简为三单元Maxwell阻尼器模型。由于安装在辅助索位置的阻尼器不再满足l/L《1的条件，所以推导了复特征频率方程的迭代函数形式。根据复特征频率方程的迭代函数形式，运用数值方法分析了辅助索位置的集中阻尼对索网结构模态阻尼特性的影响。研究表明，索网的模态阻尼与辅助索集中阻尼的位置有很大关系；集中阻尼的位置越接近振型波峰时，索网的模态阻尼越大；集中阻尼的位置接近振型节点时，索网的模态阻尼比迅速减小；索网的支撑柔度和辅助索的刚度都降低了索网的模态阻尼。(2)以Kelvin阻尼器模型模拟具有并联刚度的阻尼器，运用传递函数法推导了拉索-任意位置、任意数目Kelvin阻尼器系统的复频率方程。运用该理论分析了斜拉索套管口橡胶垫圈对斜拉索阻尼特性的影响，研究表明，梁端橡胶圈降低了索端阻尼器的减振效果；而塔端橡胶圈对斜拉索阻尼特性的影响可以忽略不计。该理论的另一应用是分析梁、塔两端同时安装阻尼器时对斜拉索阻尼特性的影响，研究表明，梁、塔两端同时安装阻尼器时，系统的最大模态阻尼比约等于分别安装梁端阻尼器和塔端阻尼器时拉索所能获得的最大模态阻尼比之和。最后运用该理论分析了辅助索刚度对索端阻尼器效果的影响，研究表明，对于位于主索等分点位置的辅助索，其刚度对系统的最大模态阻尼和阻尼器最优阻尼系数均有一定的影响，增加辅助索的刚度可以提高系统的最大模态阻尼，阻尼器的最优阻尼系数也相应增大。(3)在确定索网结构的几何非线性静力平衡位置的基础上，运用有限单元法分析了索网结构的模态频率和振型，并结合能量法对索网结构的分布阻尼特性进行了分析。其中主要考虑了辅助索的道数、张拉方式、初张力和刚度等的影响，并根据辅助索的刚度对索网结构模态振型和频率的影响定义了刚性辅助索和柔性辅助索。研究表明，增加辅助索道数，不仅可以提高索网结构的面内频率，也可以提高主索和辅助索的分布阻尼对索网结构模态阻尼的贡献。辅助索的张拉方式和张拉力对索网结构模态频率和分布阻尼贡献均有一定影响。刚性辅助索对提高索网结构频率的效果较好，而柔性辅助索对提高索网结构分布阻尼贡献的效果较好。(4)为了验证索网结构模态频率的理论分析方法并定量研究索网结构的分布阻尼特性，采用三根斜拉索和一根辅助索组成的索网模型进行了试验研究。采用钢丝绳和橡胶绳两种材料分别模拟刚性辅助索和柔性辅助索，研究了辅助索的张拉方式、张拉力、刚度及分布阻尼对索网结构面内面外减振性能的影响，并基于理论分析对试验结果进行了解释。结果表明：索网结构模态频率的试验结果与理论分析基本一致，索网结构模态阻尼的试验结果与理论分析趋势相同。(5)最后运用本文提出的理论分析了一个实际大跨度斜拉桥的算例，进行了辅助索设计参数分析。关键词：斜拉索，减振，辅助索，复频率方程，阻尼分析，模型试验，参数优化

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1斜拉索减振的研究背景

1.1.1斜拉桥的发展历史

1.1.2斜拉索的振动问题及其危害

1.1.3斜拉索的振动控制

1.2辅助索减振措施的研究现状

1.3辅助索减振措施研究中目前存在的主要问题

1.4本文的主要研究内容及构成

2.1引言

2.2拉索-三单元Maxwell阻尼器系统的自由振动分析

2.2.1拉索-三单元Maxwell阻尼器系统的复特征频率方程

2.2.2拉索-三单元Maxwell阻尼器系统复特征频率方程的近似解析式

2.2.3迭代法求数值解

2.2.4考虑支架柔度的阻尼器设计例

2.2.5小结

2.3拉索-任意位置、任意数目Kelvin阻尼器系统的自由振动分析

2.3.1拉索-任意位置、任意数目Kelvin阻尼器系统的传递函数法

2.3.2传递函数法的应用方法及实例验证

2.3.3传递函数法的算例分析

2.4结论

第三章 索网动力特性分析

3.1引言

3.2索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模

3.2.1斜拉索的精确建模

3.2.2索网结构的精确建模

3.3索网结构的无阻尼模态分析

3.3.1辅助索道数的影响

3.3.2辅助索张拉方式的影响

3.3.3辅助索张拉力的影响

3.3.4辅助索刚度的影响

3.3.5辅助索参数对模态频率和振型影响小结

3.4索网结构的分布阻尼分析

3.4.1索网结构分布阻尼分析的能量法

3.4.2辅助索道数影响

3.4.3辅助索张拉方式影响

3.4.4辅助索张拉力影响

3.4.5辅助索刚度影响

3.4.6辅助索参数对分布阻尼效果影响小结

3.5索网结构的集中阻尼-索端阻尼器分析

3.5.1拉索-阻尼器-弹簧系统的复特征频率方程

3.5.2拉索-阻尼器-弹簧系统复特征频率方程的数值分析

3.5.3小结

3.6索网结构的集中阻尼-辅助索位置阻尼器分析

3.6.1简单索网结构的复频率方程

3.6.2简单索网结构模型进一步简化

3.6.3简单索网结构模型的数值分析

3.7结论

第四章 单索及索网模型自由振动试验

4.1引言

4.2试验模型及仪器

4.3单索自由振动试验

4.3.1单索试验结果

4.4索网结构自由振动试验

4.4.1索网面内频率试验结果的分析及讨论

4.4.2索网面内阻尼试验结果分析及讨论

4.4.3索网面外频率试验结果分析及讨论

4.4.4索网面外阻尼试验结果分析及讨论

4.5结论

第五章索网结构减振算例分析

5.1引言

5.2辅助索措施的必要性

5.2.1计算模型的建立

5.2.2全桥动力特性分析

5.2.3斜拉索动力特性分析

5.2.4成桥阶段参数振动与线性内部共振分析

5.2.5参数振动和线性内部共振振动响应分析

5.2.6参数振动和线性内部共振的讨论

5.3辅助索措施分析

5.3.1辅助索道数的选择

5.3.2辅助索面积的选择

5.3.3辅助索初张力的选择

5.3.4辅助索张拉方式的选择

5.3.5辅助索建议方案

5.3.6辅助索措施的分布阻尼评价

5.4结论

第六章结论与展望

6.1本文工作总结

6.2进一步工作方向及研究展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果