大跨度橋梁斜拉索的參數(shù)振動(dòng)及索力識(shí)別研究.pdf

1、隨著斜拉橋跨度的不斷增大，斜拉索變得越來越長(zhǎng)(蘇通大橋最長(zhǎng)拉索已達(dá)到580m)，因此為保證整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性以及延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，拉索的振動(dòng)問題越來越引起各國(guó)學(xué)者的高度重視。本文針對(duì)可能引起拉索大幅振動(dòng)的參數(shù)振動(dòng)問題，以理論分析、模型試驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合的方法，深入系統(tǒng)的研究了大跨度橋梁斜拉索的參數(shù)振動(dòng)及索力測(cè)識(shí)別問題。本文的研究?jī)?nèi)容具體包括以下幾個(gè)部分
　　首先在不考慮拉索傾角的情況下，分別建立了水平拉索的索

2、-橋非耦合以及索-橋耦合兩種參數(shù)振動(dòng)模型。采用Galerkin法對(duì)兩種參數(shù)振動(dòng)模型的微分方程進(jìn)行解耦并考慮前兩階模態(tài)組合的影響，通過多尺度法對(duì)振動(dòng)方程近似求解分析，討論模型的內(nèi)共振響應(yīng)特性，并利用數(shù)值方法模擬兩種模型下，拉索在各共振頻點(diǎn)處發(fā)生內(nèi)共振的位移響應(yīng)特性及索力時(shí)程變化規(guī)律。研究表明：拉索的第一階模態(tài)在內(nèi)共振頻點(diǎn)2:1和1:1處發(fā)生大幅“拍”振，而第二階模態(tài)則僅在2:1處發(fā)生大幅“拍”振，理想激勵(lì)下的索-橋非耦合模型，由于端部有外

3、界能量的不斷輸入，使其較索-橋耦合模型的位移響應(yīng)較大，且衰減較慢。
　　在考慮拉索傾角影響的情況下，建立了斜拉索在理想激勵(lì)下的索-橋非耦合模型，以及在非理想激勵(lì)下的索-橋耦合和索-橋-塔耦合的參數(shù)振動(dòng)模型，然后對(duì)三種模型振動(dòng)微分方程做無量綱化推導(dǎo)，并利用多尺度法進(jìn)行近似求解分析，最后結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)耦合方程組進(jìn)行數(shù)值求解。討論了拉索發(fā)生參數(shù)振動(dòng)的起振時(shí)間，對(duì)比不同長(zhǎng)度拉索發(fā)生參數(shù)振動(dòng)的頻比范圍，并進(jìn)行參數(shù)分析。重點(diǎn)針對(duì)索-橋-塔

4、耦合模型進(jìn)行討論分析，在三者共同參與耦合振動(dòng)的情況下，當(dāng)橋面與拉索的頻率滿足參數(shù)振動(dòng)頻比關(guān)系2:1時(shí)，即系統(tǒng)發(fā)生1:2:1或2:2:1內(nèi)共振時(shí)，振動(dòng)在持續(xù)一段時(shí)間后將發(fā)散；而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生1:1:1或2:1:1內(nèi)共振時(shí)，拉索、橋塔和橋面位移同時(shí)出現(xiàn)耦合“拍”振的情況，且橋面和橋塔的振動(dòng)位移與遠(yuǎn)大于初始位移條件，系統(tǒng)各部分都被完全激勵(lì)起來。
　　除了將橋面激勵(lì)簡(jiǎn)化為理想激勵(lì)和彈簧-質(zhì)量塊耦合系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)振動(dòng)研究外，建立斜拉橋索-梁組合結(jié)

5、構(gòu)的非線性振動(dòng)模型，進(jìn)一步研究索-梁耦合模型下斜拉索的參數(shù)振動(dòng)問題。同樣利用多尺度法對(duì)無量綱形式的耦合振動(dòng)微分方程組進(jìn)行近似求解分析，并探討該模型的內(nèi)共振響應(yīng)特性，最后結(jié)合數(shù)值模擬方法，討論索-梁耦合模型在各內(nèi)共振頻比點(diǎn)下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。研究表明：在梁初始位移條件較大的情況下，當(dāng)滿足ω=和b2ω=兩種頻比關(guān)系b1時(shí)，拉索都發(fā)生大幅“拍”振，但在梁初始位移較小的情況下，當(dāng)滿足ω=b2的頻比關(guān)系時(shí)，小幅激勵(lì)仍然引起拉索的大幅“拍”，由此說明

6、即便是橋面梁的微幅振動(dòng)，也將引起斜拉索的大幅振動(dòng)。在對(duì)考慮索-梁組合結(jié)構(gòu)的參數(shù)振動(dòng)模型研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行支座激勵(lì)下斜拉索的參數(shù)問題研究。支座的位移激勵(lì)方向與斜拉索軸向成一定的夾角，有別于理想軸向激勵(lì)和將橋面簡(jiǎn)化為彈簧-質(zhì)量塊的參數(shù)振動(dòng)問題。建立了斜拉索在端部支座激勵(lì)下的非線性振動(dòng)模型，利用多尺度法對(duì)無量綱形式的振動(dòng)微分方程進(jìn)行近似求解，通過討論可知，支座激勵(lì)頻率除了單獨(dú)或同時(shí)與斜拉索頻率滿足內(nèi)共振頻比關(guān)系時(shí)將引起拉索的大幅振動(dòng)外，當(dāng)支座

7、激勵(lì)頻率的組合滿足ωω±=、B A0ωω±=和B A1ωω±=關(guān)系時(shí)，也將引起拉索的大幅振B A2動(dòng)，尤其是滿足參數(shù)共振時(shí)的共振響應(yīng)更大。
　　為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)支座激勵(lì)下斜拉索的參數(shù)振動(dòng)問題，進(jìn)行了室內(nèi)斜拉索模型在支座激勵(lì)下的參數(shù)振動(dòng)試驗(yàn)研究。利用作動(dòng)器模擬橋面，給斜拉索端部施加諧波激勵(lì)，對(duì)內(nèi)共振的頻比關(guān)系2:1、1:1及1:2進(jìn)行不同激勵(lì)幅值下的多工況試驗(yàn)分析。由分析結(jié)果可知，由于參數(shù)振動(dòng)頻比關(guān)系2:1引起的拉索振動(dòng)幅值較大，而拉

8、索在振動(dòng)過程中受端部剛性連接件及面外振動(dòng)的影響較大，故試驗(yàn)分析與數(shù)值模擬結(jié)果的幅值一致，而試驗(yàn)索“拍”振時(shí)間間隔較大，且衰減較快，但1:1及1:2兩種頻比關(guān)系在小激勵(lì)幅值下，試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。綜合試驗(yàn)與數(shù)值對(duì)比結(jié)果可知，該試驗(yàn)很好的驗(yàn)證了斜拉索在支座激勵(lì)下發(fā)生大幅參數(shù)振動(dòng)現(xiàn)象的這一理論。
　　最后針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)索力識(shí)別的精度問題，以實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為研究背景，主要針對(duì)索力識(shí)別方法、索力識(shí)別精度等問題進(jìn)行研究，并結(jié)合得到的