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原文传递拱桥斜拉扣挂施工中扣索参数振动分析

论文题名：	拱桥斜拉扣挂施工中扣索参数振动分析
关键词：	混凝土拱桥;斜拉扣挂法;扣索;非线性振动
摘要：	随着大跨径混凝土拱桥的广泛修建，斜拉扣挂法施工技术得到越来越广泛的应用。但随着拱桥跨度的增加，扣索的长度也随之增加，扣索所面临的动态振动问题也更为突出。因此，对混凝土拱桥斜拉扣挂施工时扣索的非线性参数振动进行研究，明确扣索非线性振动的条件和特性，探讨随机端部激励下的振动特性并分析相应的振动控制措施，具有极其重要的理论和现实意义。本文以某斜拉扣挂法施工的拱桥为研究背景，针对扣索的非线性参数振动特性，采用理论分析和数值模拟等方法进行分析。主要研究内容如下：　　（1）拱桥悬臂施工阶段风致抖振响应时频特征分析　　基于ANSYS软件建立了某地采用斜拉扣挂法施工的拱桥有限元模型，采用大变形预应力模态分析方法提取结构的自振频率和自振模态，并将自激力、抖振力在状态空间内进行表达，利用精细时程积分算法对全桥结构进行抖振特征分析，同时对不同风速下的抖振响应进行研究，最后探究了扣索参数振动的可能性。研究发现：临时索-拱组合结构的阵型主要以拱桥的竖向弯曲、侧向弯扭以及塔柱的侧弯和弯扭所组成；对于拱桥悬臂施工阶段，有多根扣索存在发生大幅度主共振、超谐波共振、参数共振和次谐波共振的振动频率匹配条件。　　（2）基于多尺度方法的扣索参数振动分析　　通过索-拱临时结构中抽象出扣索参数振动力学模型，然后采用多尺度方法对非线性振动方程进行了近似求解，重点研究了主共振、参数共振和次谐波共振以及1:2超谐波共振的振动特性。研究发现：多尺度方法的解与数值解十分接近，这验证了本文中多尺度方法推导过程的正确性；参数共振和次谐波共振的响应为参数激励和强迫激励共同参与，而主共振和1:2超谐波共振，主要是受强迫激励项作用；主共振、参数共振和次谐波共振存在明显的多值现象，而1:2超谐波共振则没有；另外初始条件会导致数值方法存在两种不同的稳定振动响应，而不稳定解很难在自然界中难以达到。　　（3）随机端部激励下扣索参数振动的Runge-Kutta求解与振动响应分析　　本章主要通过Runge-Kutta法和ANSYS有限元法分析了初始条件和随机端部激励下的扣索非线性振动特性。先给出了在使用数值方法时初始条件应满足的方程，随后重点研究随机端部激励对扣索振动的影响，并与简谐激励下的扣索振动进行对比分析。研究发现：当初始条件的满足本文中的公式时，使用数值方法计算参数共振和次谐波共振是可以得到部分大值振动响应；在随机位移激励的影响下，扣索振动响应明显小于简谐激励作用下的振动响应，增大风速可激励起组合频率下的参数共振和次谐波共振。　　（4）扣索、斜拉索参数振动　　本章探究了初始索力、索截面面积以及索长等规格参数对非线性振动的影响，随后分析了重力垂度、倾角和两端激励相位差等因素的影响，最后讨论了扣索主共振、1:2超谐波共振、参数共振和次谐波共振的振动控制措施。研究发现：拉索的规格参数确实对索的非线性振动有明显影响，大的初始索力将表现硬非线性，大的截面面积表现软非线性，大的索长表现软非线性，且初始索力和截面面积主要是通过影响拉索本身的基频来影响扣索的非线性振动；另外主共振和1:2超谐波共振，可以通过增加阻尼比、限制激励幅值、调整频率关系来进行限制，但对于扣索的参数共振和次谐波共振而言，增加阻尼的效果很小。
作者：	訾鹏飞
专业：	建筑与土木工程
导师：	郭增伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022