本文關(guān)鍵詞： 斜拉索 索梁結(jié)構(gòu) 斜拉橋 試驗(yàn) 共振 非線性振動(dòng)　出處：《湖南大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：大跨度斜拉橋非線性振動(dòng)問(wèn)題,一直是土木和力學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)課題之一。大跨度斜拉橋是由主梁、主塔和斜拉索組成的組合結(jié)構(gòu)體系。主塔為相對(duì)剛性的受壓構(gòu)件,主梁為相對(duì)半剛性的壓彎構(gòu)件,斜拉索為只受拉的柔性構(gòu)件。三者受力不同,力學(xué)特性也有明顯差異,且相互間存在強(qiáng)烈耦合共振行為,尤其是輕柔的斜拉索易發(fā)生大幅非線性振動(dòng)。為探究斜拉橋耦合共振及斜拉索大幅非線性振動(dòng)相關(guān)現(xiàn)象機(jī)理,本文從統(tǒng)計(jì)、理論、有限元與試驗(yàn)四方面進(jìn)行研究。主要工作如下:(1)從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度,研究了斜拉橋主梁和斜拉索力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律和參數(shù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。收集了國(guó)內(nèi)數(shù)十座主跨大于300 m的斜拉橋施工圖紙,統(tǒng)計(jì)了斜拉索和主梁相關(guān)力學(xué)參數(shù),探究了各參數(shù)所服從的分布規(guī)律,研究了部分參數(shù)間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系,確定了各參數(shù)滿足95%置信度的取值范圍,為后續(xù)理論分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供實(shí)際依據(jù)。研究表明:各參數(shù)均能良好的服從某統(tǒng)計(jì)學(xué)分布規(guī)律;不同材料主梁相對(duì)豎向和橫向抗彎剛度無(wú)明顯差異,而相對(duì)軸向剛度和線重明顯不同。斜拉橋跨度越大各項(xiàng)剛度和線重均呈減小趨勢(shì),該“輕柔”特性使其更易產(chǎn)生大幅振動(dòng);隨著跨徑增大主梁各剛度及重量的變化相互間不成比例,斜拉橋跨越能力增大主要依靠斜拉索體系支撐,然而,一味依靠斜拉索體系又將面臨主梁軸向受壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。因此,若要進(jìn)一步提升斜拉橋跨度需采用新結(jié)構(gòu)體系;(2)建立了兩端均承受三個(gè)方向激勵(lì)的斜拉索非線性運(yùn)動(dòng)方程�；谠摲匠滩⒔Y(jié)合大跨度斜拉橋常見振型,分別研究了斜拉橋縱向漂移振動(dòng),主梁側(cè)向激勵(lì)和兩端水平激勵(lì)下斜拉索非線性振動(dòng)特性。研究表明:主梁小幅縱向漂移可有效減小拉索大幅振動(dòng),而完全固結(jié)或大幅縱向漂移將加劇拉索大幅振動(dòng)。從減小斜拉索非線性大幅振動(dòng)出發(fā),大跨度斜拉橋應(yīng)設(shè)計(jì)成漂浮或半漂浮體系,并設(shè)置合理主梁縱向約束剛度。研究為大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)成漂浮或半漂浮體系提供了非線性動(dòng)力學(xué)依據(jù);強(qiáng)迫振動(dòng)和參數(shù)激勵(lì)是兩種基本激勵(lì)模式,若斜拉索端部激勵(lì)沿索軸向分量之和wb及橫向分量之和ua不變,則斜拉索響應(yīng)不變;兩端水平激勵(lì)斜拉索僅考慮亞諧波共振時(shí),可將上下端激勵(lì)幅值疊加,按一端水平激勵(lì)計(jì)算,但若考慮主共振則不能如此簡(jiǎn)化;(3)試驗(yàn)研究了斜拉索自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)下的非線性振動(dòng)特性。研究表明:重力效應(yīng)使斜拉索面內(nèi)一階頻率稍大于面外一階頻率,但其對(duì)面內(nèi)外二階影響很小。試驗(yàn)直接觀測(cè)到斜拉索非線性振動(dòng)“跳躍”過(guò)程,對(duì)該過(guò)程斜拉索空間運(yùn)動(dòng)形態(tài)和規(guī)律的研究表明:斜拉索發(fā)生“跳躍”時(shí)空間運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了3個(gè)過(guò)程,而不是僅僅是振幅突然改變。同時(shí),試驗(yàn)還觀測(cè)到斜拉索面內(nèi)外共振區(qū)不一致現(xiàn)象;(4)試驗(yàn)觀測(cè)到豐富的索梁耦合振動(dòng)現(xiàn)象。主梁的影響使斜拉索面內(nèi)頻率大于對(duì)應(yīng)的面外頻率,頻率法測(cè)試索力時(shí),索力換算公式并未考慮該影響,故應(yīng)測(cè)試斜拉索面外頻率而不是面內(nèi)頻率;無(wú)論索梁結(jié)構(gòu)發(fā)生自由振動(dòng)還是強(qiáng)迫振動(dòng),主梁和斜拉索間或斜拉索自身均可存在不同模態(tài)間的相互耦合振動(dòng)和能量傳遞;梁振動(dòng)與其激發(fā)起來(lái)的索面內(nèi)、外振動(dòng)間存在一定時(shí)間“滯后”;結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)使主梁面內(nèi)振動(dòng)偏離中心位置;(5)制作了精細(xì)的斜拉橋全橋非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?觀測(cè)到斜拉索、主梁和主塔間存在著豐富非線性耦合振動(dòng)。不同激勵(lì)頻率下斜拉橋可發(fā)生整體、局部和全橋性耦合振動(dòng)三種振動(dòng)形式;試驗(yàn)觀測(cè)到相鄰斜拉索即將相互碰撞的現(xiàn)象;發(fā)現(xiàn)了一種新的復(fù)雜而強(qiáng)烈的全橋性耦合共振。共振時(shí)斜拉索、主梁和主塔均作大幅振動(dòng),且斜拉索兩個(gè)響應(yīng)頻率之和正好等于激勵(lì)頻率。進(jìn)一步掃頻試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),主梁和主塔大幅振動(dòng)可改變某些斜拉索非線性振動(dòng)特性,使其由“硬彈簧”變成“軟彈簧”性質(zhì)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U446.1;U448.27

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