大跨度斜拉橋非線性振動試驗研究.pdf

1、大跨度斜拉橋非線性振動問題，一直是土木和力學領(lǐng)域研究熱點課題之一。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。主塔為相對剛性的受壓構(gòu)件，主梁為相對半剛性的壓彎構(gòu)件，斜拉索為只受拉的柔性構(gòu)件。三者受力不同，力學特性也有明顯差異，且相互間存在強烈耦合共振行為，尤其是輕柔的斜拉索易發(fā)生大幅非線性振動。為探究斜拉橋耦合共振及斜拉索大幅非線性振動相關(guān)現(xiàn)象機理，本文從統(tǒng)計、理論、有限元與試驗四方面進行研究。主要工作如下:
　　(1)

2、從統(tǒng)計學角度，研究了斜拉橋主梁和斜拉索力學參數(shù)的分布規(guī)律和參數(shù)間的統(tǒng)計關(guān)系。收集了國內(nèi)數(shù)十座主跨大于300 m的斜拉橋施工圖紙，統(tǒng)計了斜拉索和主梁相關(guān)力學參數(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)計學關(guān)系，確定了各參數(shù)滿足95％置信度的取值范圍，為后續(xù)理論分析和試驗設(shè)計提供實際依據(jù)。研究表明:各參數(shù)均能良好的服從某統(tǒng)計學分布規(guī)律;不同材料主梁相對豎向和橫向抗彎剛度無明顯差異，而相對軸向剛度和線重明顯不同。斜拉橋跨度越大各項

3、剛度和線重均呈減小趨勢，該“輕柔”特性使其更易產(chǎn)生大幅振動;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度和穩(wěn)定性不足的問題。因此，若要進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方向激勵的斜拉索非線性運動方程?；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，主梁側(cè)向激勵和兩端水平激勵下斜拉索

4、非線性振動特性。研究表明:主梁小幅縱向漂移可有效減小拉索大幅振動，而完全固結(jié)或大幅縱向漂移將加劇拉索大幅振動。從減小斜拉索非線性大幅振動出發(fā)，大跨度斜拉橋應(yīng)設(shè)計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)計成漂浮或半漂浮體系提供了非線性動力學依據(jù);強迫振動和參數(shù)激勵是兩種基本激勵模式，若斜拉索端部激勵沿索軸向分量之和(b)w及橫向分量之和(a)u不變，則斜拉索響應(yīng)不變;兩端水平激勵斜拉索僅考慮亞諧波共振時，可將上

5、下端激勵幅值疊加，按一端水平激勵計算，但若考慮主共振則不能如此簡化;
　　(3)試驗研究了斜拉索自由振動和強迫振動下的非線性振動特性。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，但其對面內(nèi)外二階影響很小。試驗直接觀測到斜拉索非線性振動“跳躍”過程，對該過程斜拉索空間運動形態(tài)和規(guī)律的研究表明:斜拉索發(fā)生“跳躍”時空間運動經(jīng)歷了3個過程，而不是僅僅是振幅突然改變。同時，試驗還觀測到斜拉索面內(nèi)外共振區(qū)不一致現(xiàn)象;
　

6、　(4)試驗觀測到豐富的索梁耦合振動現(xiàn)象。主梁的影響使斜拉索面內(nèi)頻率大于對應(yīng)的面外頻率，頻率法測試索力時，索力換算公式并未考慮該影響，故應(yīng)測試斜拉索面外頻率而不是面內(nèi)頻率;無論索梁結(jié)構(gòu)發(fā)生自由振動還是強迫振動，主梁和斜拉索間或斜拉索自身均可存在不同模態(tài)間的相互耦合振動和能量傳遞;梁振動與其激發(fā)起來的索面內(nèi)、外振動間存在一定時間“滯后”;結(jié)構(gòu)非線性振動使主梁面內(nèi)振動偏離中心位置;
　　(5)制作了精細的斜拉橋全橋非線性振動試驗?zāi)Ｐ停?/p>