大跨度橋梁斜拉索的參數(shù)振動及索力識別研究.pdf

1、隨著斜拉橋跨度的不斷增大，斜拉索變得越來越長(蘇通大橋最長拉索已達(dá)到580m)，因此為保證整個橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性以及延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，拉索的振動問題越來越引起各國學(xué)者的高度重視。本文針對可能引起拉索大幅振動的參數(shù)振動問題，以理論分析、模型試驗和實際工程應(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)振動及索力測識別問題。本文的研究內(nèi)容具體包括以下幾個部分
　　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)振動模型。采用Galerkin法對兩種參數(shù)振動模型的微分方程進行解耦并考慮前兩階模態(tài)組合的影響，通過多尺度法對振動方程近似求解分析，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，拉索在各共振頻點處發(fā)生內(nèi)共振的位移響應(yīng)特性及索力時程變化規(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下的索-橋非耦合模型，以及在非理想激勵下的索-橋耦合和索-橋-塔耦合的參數(shù)振動模型，然后對三種模型振動微分方程做無量綱化推導(dǎo)，并利用多尺度法進行近似求解分析，最后結(jié)合數(shù)值模擬方法對耦合方程組進行數(shù)值求解。討論了拉索發(fā)生參數(shù)振動的起振時間，對比不同長度拉索發(fā)生參數(shù)振動的頻比范圍，并進行參數(shù)分析。重點針對索-橋-塔

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

5、構(gòu)的非線性振動模型，進一步研究索-梁耦合模型下斜拉索的參數(shù)振動問題。同樣利用多尺度法對無量綱形式的耦合振動微分方程組進行近似求解分析，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)共振頻比點下的動力響應(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，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，小幅激勵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，也將引起斜拉索的大幅振動。在對考慮索-梁組合結(jié)構(gòu)的參數(shù)振動模型研究的基礎(chǔ)上，進行支座激勵下斜拉索的參數(shù)問題研究。支座的位移激勵方向與斜拉索軸向成一定的夾角，有別于理想軸向激勵和將橋面簡化為彈簧-質(zhì)量塊的參數(shù)振動問題。建立了斜拉索在端部支座激勵下的非線性振動模型，利用多尺度法對無量綱形式的振動微分方程進行近似求解，通過討論可知，支座激勵頻率除了單獨或同時與斜拉索頻率滿足內(nèi)共振頻比關(guān)系時將引起拉索的大幅振動外，當(dāng)支座

7、激勵頻率的組合滿足ωω±=、B A0ωω±=和B A1ωω±=關(guān)系時，也將引起拉索的大幅振B A2動，尤其是滿足參數(shù)共振時的共振響應(yīng)更大。
　　為了進一步認(rèn)識支座激勵下斜拉索的參數(shù)振動問題，進行了室內(nèi)斜拉索模型在支座激勵下的參數(shù)振動試驗研究。利用作動器模擬橋面，給斜拉索端部施加諧波激勵，對內(nèi)共振的頻比關(guān)系2:1、1:1及1:2進行不同激勵幅值下的多工況試驗分析。由分析結(jié)果可知，由于參數(shù)振動頻比關(guān)系2:1引起的拉索振動幅值較大，而拉

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