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原文传递悬索桥吊索刚度、阻尼及涡激振动分析方法研究

论文题名：	悬索桥吊索刚度、阻尼及涡激振动分析方法研究
关键词：	悬索桥;吊索构件;约束刚度;阻尼系统;涡激振动;有限元分析;流固耦合
摘要：	吊索是悬索桥的主要承重构件之一，是一种典型的柔性结构，在低风速下极易发生涡激振动。目前，相关研究主要采用有限元法把吊索的涡激振动问题简化为二维吊索进行数值模拟，相当于在吊索的某一位置取一个截面，同时将吊索的受力情况简化为质量-弹簧-阻尼系统。由于吊索是在主缆和加劲梁架设完之后安装并张拉，受吊索初始张力、直径、端部约束情况、风荷载、长度、截面位置等因素的影响，不同吊索截面的刚度和阻尼不同。因此，研究质量-弹簧-阻尼系统的刚度和阻尼对悬索桥吊索涡激振动的影响及掌握三维结构涡激振动二维分析方法具有重要意义。鉴于此，本文主要研究工作如下：　　（1）为了确定悬索桥吊索的约束刚度及其影响因素,明确目前吊索流固耦合二维数值计算中刚度的取值。本文采用理论推导和有限元方法分析了吊索初始张力、长度、直径、风速、约束条件以及吊索位置对吊索约束刚度的影响。结果表明：有限元数值模拟结果与理论推导结果吻合良好，有限元计算与理论推导的正确性得到了相互印证；吊索约束刚度随其初始张力与直径的增大而增大，吊索约束刚度随其长度的增大而减小；吊索约束刚度随风速的变化而变化；吊索两端为固定端约束时的刚度大于吊索两端为固定铰约束时的刚度；吊索的跨中断面约束刚度最小，从跨中向两端吊索约束刚度逐渐增大。因此在吊索的流固耦合计算时，刚度的取值随吊索初始张力、长度、直径、风速、约束条件以及吊索断面位置的不同而不同。　　（2）确定悬索桥吊索的阻尼及其影响因素是设计中的难点，且目前吊索流固耦合二维数值计算中吊索阻尼取值的实际工程意义不太明确，为了利用二维流固耦合计算实际工程中吊索的风振特性，其中吊索断面阻尼的取值至关重要，为了研究吊索断面的阻尼特性，采用自由振动衰减法和有限元方法分析了吊索初始张力、长度、直径、风速、约束条件以及吊索位置对吊索阻尼的影响。结果表明：吊索阻尼随其初始张力的增大而增大，吊索阻尼随其直径和长度的增大而减小；吊索阻尼随风速的变化而变化；吊索两端为固定端约束时的阻尼大于吊索两端为固定铰约束时的阻尼；吊索的跨中阻尼最小，从跨中向两端吊索阻尼逐渐增大。因此在吊索的流固耦合计算时，阻尼的取值随着吊索初始张力、长度、直径、风速、约束条件以及吊索位置的不同而不同。　　（3）在明确了悬索桥吊索刚度与阻尼确定方法的基础上，本文提出了吊索涡激振动的准三维数值分析方法，采用该方法分析了吊索的涡激振动特性。通过与已有文献的对比，验证了吊索涡激振动准三维数值分析方法的正确性；建立吊索的有限元模型，研究吊索刚度与阻尼对其涡激振动的影响。结果表明：随着吊索刚度的减小，吊索无因次振幅逐渐增大，但增大到一定值后增长幅度减慢；随着吊索阻尼的减小吊索无因次振幅呈增大趋势，吊索阻尼越大，吊索无因次振幅越小；目前很多准三维涡激振动计算所选取的阻尼普遍偏大，与吊索真实阻尼脱节，计算得到的涡激振动锁定风速大于吊索的真实涡激振动锁定风速且计算得到的无因次振幅小于真实涡激振动的无因次振幅。
作者：	张帅
专业：	建筑与土木工程
导师：	王东炜;李胜利
授予学位：	硕士
授予学位单位：	郑州大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文