斜拉索非线性参数振动与振动控制

论文摘要

斜拉索具有质量小、刚度小、阻尼小的特点,极易在各种激励下发生横向振动,影响桥梁结构安全、使用性能与寿命。作为主要振动形式之一的参数振动,由于现代斜拉桥均采用密索体系,拉索固有频率分布广,且主梁振动的基频均较低,很容易满足其发生的条件,从而激起拉索大幅振动。这对桥梁的安全性及稳定性是个很大的冲击。因此,准确分析其振动特性并制定合理控制措施对于斜拉桥的建设和维护意义重大。本文首先介绍了斜拉索的非线性特征及拉索振动的基本概况,回顾了国内外学者在斜拉索参数振动方面所做过的主要工作,并对参数振动的机理进行了简要阐述。在综合考虑拉索的垂度效应、大变形效应、拉索与桥梁的倾角效应的基础上,建立了斜拉索轴向激励下非线性参数振动模型,具体推导出斜拉索单自由度方程。并进一步建立拉索-桥面-桥塔耦合振动模型,推导出三自由度非线性参数振动微分方程组。以武汉天兴洲长江大桥为工程背景,利用ANSYS结构分析程序建立了有限元模型,通过模态分析得到了该桥的动力特性。将前三十阶频率与全桥拉索自振频率相匹配,找出可能发生参数振动的拉索。采用龙格-库塔数值分析方法,针对拉索进行参数振动分析,研究其振动特性。详细分析了激励频率、初始索力、倾角、初始扰动、桥面及桥塔质量与刚度、阻尼对参数振动特性的影响。本文还介绍了各种拉索振动控制方法,重点针对粘弹性阻尼器,对本文所建立的耦合参数振动模型进行了振动控制分析,并提出实际工程中的应用方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 斜拉桥的发展概况
• 1.2 斜拉索的应用与非线性特征
• 1.3 斜拉桥拉索振动机理研究概况
• 1.3.1 斜拉索振动的危害
• 1.3.2 斜拉索振动机理研究概述
• 1.4 斜拉索参数振动研究现状
• 1.5 论文的主要工作及意义
• 2 斜拉索非线性参数振动模型的建立
• 2.1 斜拉索参数振动机理
• 2.2 轴向激励下斜拉索单自由度模型
• 2.2.1 振动模型的建立
• 2.2.2 基本假设
• 2.2.3 拉索振动方程的建立
• 2.3 索－桥－塔耦合参数振动三自由度模型的建立
• 2.3.1 振动模型的建立
• 2.3.2 基本假设
• 2.3.3 拉索振动方程的建立
• 2.3.4 桥面质量块振动方程的建立
• 2.3.5 桥塔质量块振动方程的建立
• 3 斜拉桥有限元模型与动力特性分析
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 跨径布置
• 3.1.2 主桁架
• 3.1.3 桥塔
• 3.1.4 拉索
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 单元类型的选择
• 3.2.2 边界条件的选择
• 3.2.3 整体模型的建立
• 3.3 天兴洲长江大桥动力特性分析
• 4 斜拉索非线性参数振动特性的研究
• 4.1 拉索动力特性计算方法
• 4.2 拉索参数共振频率匹配
• 4.2.1 参数振动发生拉索的确定
• 4.2.2 共振区间
• 4.3 索－桥－塔耦合参数振动分析
• 4.3.1 数值模拟振动分析
• 4.3.2 参数影响分析
• 5 斜拉索振动控制
• 5.1 拉索振动控制介绍
• 5.1.1 空气动力学减振
• 5.1.2 机械减振
• 5.2 参数振动的抑振
• 6 结论与展望
• 6.1 主要内容及分析结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文