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原文传递悬索桥缆索系统风致内共振研究

论文题名：	悬索桥缆索系统风致内共振研究
关键词：	悬索桥;风洞试验;阻尼器;风荷载效应;吊索振动
摘要：	基于现场观察到的国内某特大跨度悬索桥吊索的风致振动现象，定性分析排除了尾流驰振、涡激共振及风雨激振。理论论述、数值模拟和简化风洞试验依次证明这是一种主缆抖振引起的吊索共振。由于吊索密集的固有频率和结构抖振的广谱特性，随机风场激起的主缆随机抖振含有丰富的模态成份，当主缆具有一定抖振能量的振动频率与吊索固有频率充分接近时就会激发吊索的共振。因此，从来流紊流风场中获得能量的是主缆而非吊索自身。与主缆的模态质量相比，一根或几根吊索的模态质量很小，因此吊索大幅振动吸收的能量并不会对主缆的振动带来实质性的影响，从而可形成一个相对稳定的能量供给机制。分析结果表明吊索的共振幅值对其固有频率、风速和阻尼比敏感。另一方面，每根吊索四根钢丝绳间的气动干扰，将使吊索振动进一步复杂化并导致四支钢丝绳振动的不完全同步。此外，在主缆上加设多重调谐质量阻尼器(MTMD)抑制主缆在吊索自然频率附近的振动，间接抑制吊索的振动具有很好的效果。论文的主要工作和结论如下：　　（1）首先介绍了桥梁风荷载效应、拉索风致振动类型和拉索振动的控制措施。比较了现场观测到吊索风致振动现象和与既有拉索振动类型的特点，定性排除了尾流驰振、涡激共振、风雨激振和桥塔尾流引起振动的可能性。建立大桥有限元模型，细化吊索单元，进行全桥有限元动力特性分析，提取吊索的振动模态。结果显示吊索的自然频率较低且分布密集，且在很小的频率区间内会同时出现大量主缆和吊索的振动模态，存在缆索系统内共振的可能性。　　（2）采用谐波合成法模拟了该桥主梁和主缆处的抖振脉动风场。分析作用在该桥上的抖振力荷载，仅在主梁和主缆上施加抖振脉动风荷载。为了避免定性分析造成困惑，忽略吊索自身所受风荷载。数值模拟全桥的抖振时程，提取吊索中点、与主缆连接上端点及与主梁连接下端点的横向位移时程，并进行频谱分析。分析得到这种振动的机理是自然风作用在主缆上产生振动的能量传递到吊索，引起吊索的振动，而非吊索自身从来流紊流风场获得能量的。绘制长吊索和主缆的横向振动形态图，说明引起吊索共振的是主缆微小（不可察觉）的高阶振动。吊索振动的剧烈程度与其沿主梁的位置（吊索的固有频率：长度和材料特性等）、风速和阻尼比等因素有关，与吊索离散精度和细化吊索在全桥的分布范围关系不大。导致每根吊索四支钢丝绳振动不同步的原因是其间的气动干扰，包括准定常剪切流和非定常特征紊流（或规则涡脱）。　　（3）建立主缆-吊索系统的简化模型，通过主缆和吊索模型自振测试各自的阻尼比。由自由拍振将共振频率调至目标频率。利用格栅生成脉动风场，进行风洞试验。采用有机玻璃罩封闭吊索，比较吊索受风与否对系统共振的影响。试验结果显示无论吊索封闭与否，在所有的测试风速下，缆索系统内共振都存在。验证了缆索系统风致内共振的存在。　　（4）基于该吊索振动机理提出一种全新的减振措施，即在主缆上加设MTMD，通过抑制主缆在吊索共振频率处的振动来抑制吊索的振动。考虑质量比、阻尼比、频率比及安装位置和数量的影响，并与吊索端部加设阻尼器减振效果进行比较。数值计算结果表明主缆上加设 MTMD对长吊索振动具有较好的控制效果，且不受结构阻尼和风速的影响，而吊索端部加设阻尼器减振效果不佳。
作者：	吴肖波
专业：	土木工程
导师：	张志田
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文