大跨度斜拉桥索—桥耦合振动分析与实验

论文摘要

世界上的许多大跨度斜拉桥存在索-桥耦合振动现象,该现象对拉索使用寿命和桥梁的安全运营有着重要影响。由于索-桥耦合振动现象涉及到斜拉桥索与桥面或桥塔的耦合振动,相比直接激励索的振动机理更复杂和更困难,目前的研究成果还不多。本文采用理论分析、有限元数值计算和实桥实验的方法,研究斜拉桥索-桥耦合振动（动力相互作用）,研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本文的主要研究工作及取得的研究成果如下：1.将拉索与桥面的耦合振动模型简化为单一拉索索端位移激励下的振动模型。采用Hamilton原理,推导了索端位移激励下拉索的非线性振动方程,运用Runge-Kutta法求振动方程的数值解,并结合湛江海湾大桥C14号拉索分析了各参数对拉索参数振动的影响。2.以湛江海湾大桥为背景,建立了该桥的一根索一个单元的OECS模型和每根索用多个单元离散的MECS模型,并分别对这两个有限元模型进行模态分析,研究湛江海湾大桥斜拉索与桥面的耦合振动的存在和发生的条件。3.从有限元数值分析的角度分析湛江海湾大桥斜拉索索-桥面耦合振动。数值计算结果表明,无论是给湛江海湾大桥施加频率等于桥面竖向二阶模态频率和桥面竖向三阶模态频率的简谐集中力激励,还是施加一定带宽的白噪声激励,均出现索-桥耦合振动现象,并提出用峰值系数定量衡量索-桥耦合振动。4.对湛江海湾大桥进行了环境振动现场实验,分析实测斜拉索和桥面的模态频率,分析结果表明湛江海湾大桥可能产生多种形式的斜拉索-桥耦合振动；针对容易出现索-桥耦合振动的斜拉索设计了部分斜拉索-桥耦合振动现场实验,通过对比分析邻近拉索的加速度的峰值系数和自功率谱峰值,实验验证了湛江海湾大桥斜拉索-桥耦合振动的可能性,进一步验证了大跨度斜拉桥的索-桥耦合振动现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 斜拉桥的发展
• 1.1.2 斜拉桥索-桥耦合振动
• 1.2 斜拉桥索-桥耦合振动研究现状
• 1.3 本文的主要工作及成果
• 第二章 索端位移激励作用下拉索的振动
• 2.1 引言
• 2.2 斜拉索非线性振动模型
• 2.3 数值算例与参数分析
• 2.3.1 桥面振动频率与拉索基频之比对拉索振动的影响
• 2.3.2 阻尼对拉索振动的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 湛江海湾大桥的模态分析
• 3.1 引言
• 3.2 湛江海湾大桥简介
• 3.3 OECS有限元模型建立及模态分析
• 3.3.1 构件模型
• 3.3.2 支座模拟
• 3.3.3 材料参数
• 3.3.4 基于OECS模型的模态分析
• 3.4 MECS有限元模型建立及模态分析
• 3.4.1 斜拉索振动频率计算
• 3.4.2 基于MECS模型的湛江海湾大桥模态分析
• 3.4.3 OECS模型与MECS模型模态分析结果对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 湛江海湾大桥索-桥耦合振动分析
• 4.1 引言
• 4.2 有阻尼体系动力反应的模态叠加法简介
• 4.2.1 计算理论
• 4.2.2 阻尼估计
• 4.3 单频简谐力作用下桥梁的动力响应
• 4.3.1 桥面竖向二阶振动与拉索振动耦合
• 4.3.2 桥面竖向三阶振动与拉索振动耦合
• 4.4 随机荷载作用下桥梁的响应
• 4.5 本章小结
• 第五章 湛江海湾大桥索-桥面耦合振动现场实验
• 5.1 前言
• 5.2 湛江海湾大桥环境振动测试
• 5.2.1 现场环境振动实验
• 5.2.2 全桥模态参数识别
• 5.2.3 拉索频率测试与识别
• 5.3 索-桥面耦合振动现场实验
• 5.3.1 湛江海湾大桥索-桥耦合振动的机理分析
• 5.3.2 索-桥面耦合振动现场实验
• 5.3.3 索-桥面耦合振动实验数据分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 本文工作总结与展望
• 6.1 本文主要工作及成果
• 6.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果