详情

原文传递大跨度斜拉桥非线性振动试验研究

论文题名：	大跨度斜拉桥非线性振动试验研究
关键词：	大跨度斜拉桥;非线性振动;耦合共振;力学特性
摘要：	大跨度斜拉桥非线性振动问题，一直是土木和力学领域研究热点课题之一。大跨度斜拉桥是由主梁、主塔和斜拉索组成的组合结构体系。主塔为相对刚性的受压构件，主梁为相对半刚性的压弯构件，斜拉索为只受拉的柔性构件。三者受力不同，力学特性也有明显差异，且相互间存在强烈耦合共振行为，尤其是轻柔的斜拉索易发生大幅非线性振动。为探究斜拉桥耦合共振及斜拉索大幅非线性振动相关现象机理，本文从统计、理论、有限元与试验四方面进行研究。主要工作如下: 　　(1)从统计学角度，研究了斜拉桥主梁和斜拉索力学参数的分布规律和参数间的统计关系。收集了国内数十座主跨大于300 m的斜拉桥施工图纸，统计了斜拉索和主梁相关力学参数，探究了各参数所服从的分布规律，研究了部分参数间的统计学关系，确定了各参数满足95％置信度的取值范围，为后续理论分析和试验设计提供实际依据。研究表明:各参数均能良好的服从某统计学分布规律;不同材料主梁相对竖向和横向抗弯刚度无明显差异，而相对轴向刚度和线重明显不同。斜拉桥跨度越大各项刚度和线重均呈减小趋势，该“轻柔”特性使其更易产生大幅振动;随着跨径增大主梁各刚度及重量的变化相互间不成比例，斜拉桥跨越能力增大主要依靠斜拉索体系支撑，然而，一味依靠斜拉索体系又将面临主梁轴向受压强度和稳定性不足的问题。因此，若要进一步提升斜拉桥跨度需采用新结构体系; 　　(2)建立了两端均承受三个方向激励的斜拉索非线性运动方程。基于该方程并结合大跨度斜拉桥常见振型，分别研究了斜拉桥纵向漂移振动，主梁侧向激励和两端水平激励下斜拉索非线性振动特性。研究表明:主梁小幅纵向漂移可有效减小拉索大幅振动，而完全固结或大幅纵向漂移将加剧拉索大幅振动。从减小斜拉索非线性大幅振动出发，大跨度斜拉桥应设计成漂浮或半漂浮体系，并设置合理主梁纵向约束刚度。研究为大跨度斜拉桥设计成漂浮或半漂浮体系提供了非线性动力学依据;强迫振动和参数激励是两种基本激励模式，若斜拉索端部激励沿索轴向分量之和(b)w及横向分量之和(a)u不变，则斜拉索响应不变;两端水平激励斜拉索仅考虑亚谐波共振时，可将上下端激励幅值叠加，按一端水平激励计算，但若考虑主共振则不能如此简化; 　　(3)试验研究了斜拉索自由振动和强迫振动下的非线性振动特性。研究表明:重力效应使斜拉索面内一阶频率稍大于面外一阶频率，但其对面内外二阶影响很小。试验直接观测到斜拉索非线性振动“跳跃”过程，对该过程斜拉索空间运动形态和规律的研究表明:斜拉索发生“跳跃”时空间运动经历了3个过程，而不是仅仅是振幅突然改变。同时，试验还观测到斜拉索面内外共振区不一致现象; 　　(4)试验观测到丰富的索梁耦合振动现象。主梁的影响使斜拉索面内频率大于对应的面外频率，频率法测试索力时，索力换算公式并未考虑该影响，故应测试斜拉索面外频率而不是面内频率;无论索梁结构发生自由振动还是强迫振动，主梁和斜拉索间或斜拉索自身均可存在不同模态间的相互耦合振动和能量传递;梁振动与其激发起来的索面内、外振动间存在一定时间“滞后”;结构非线性振动使主梁面内振动偏离中心位置; 　　(5)制作了精细的斜拉桥全桥非线性振动试验模型，观测到斜拉索、主梁和主塔间存在着丰富非线性耦合振动。不同激励频率下斜拉桥可发生整体、局部和全桥性耦合振动三种振动形式;试验观测到相邻斜拉索即将相互碰撞的现象;发现了一种新的复杂而强烈的全桥性耦合共振。共振时斜拉索、主梁和主塔均作大幅振动，且斜拉索两个响应频率之和正好等于激励频率。进一步扫频试验发现，主梁和主塔大幅振动可改变某些斜拉索非线性振动特性，使其由“硬弹簧”变成“软弹簧”性质。
作者：	孙测世
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	赵跃宇
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文