悬索桥吊杆张力分析与振动测试研究

论文摘要

近年来,桥梁结构中的拉索体系越来越多,比如现在广泛应用的悬索桥中的吊杆以及主缆,斜拉桥中的斜拉索,拱桥中采用的吊杆。吊杆是悬索桥的重要构件,吊杆的健康状态直接影响到悬索桥的使用安全。按照设计规范的要求和方法,吊杆的张力和容许应力都应该控制在允许范围之内,整个桥梁结构的安全和线形的美观也与其张力(或索力)状态息息相关。但是,在施工过程中以及使用的情况下,不确定的因素很多,这些因素都会影响到张力(或索力)变化的大小。近年来,悬索桥安全事故时有发生,并且多起事故与吊杆的健康状态有直接关系。基于重庆长江鹅公岩大桥吊杆安全检测项目,本文研究了吊杆张力计算理论及方法,利用Matlab推导了吊杆张力实用计算公式,并利用ANSYS验证了吊杆张力实用计算公式的正确性。通过对吊杆进行振动测试以及吊杆在张力实用计算公式计算所得张力与吊杆健康档案中设计张力的对比和分析,确定了大桥吊杆的健康状态,为工程实际运用提供了理论依据和指导。①通过深入分析吊杆破损现状及破损原因,提出了预防吊杆产生破损的措施,从而确保大桥吊杆的健康状态;②利用Pro/ENGINEER建立吊杆零件的三维实体模型,然后对吊杆进行装配及干涉检查;利用ANSYS对吊杆进行模态分析,确定了吊杆的固有频率;③建立多种模型计算吊杆张力,采用两端固定弦与梁的组合模型,考虑抗弯刚度及边界条件等影响吊杆张力的各种因素,利用Matlab曲线拟合功能,推导吊杆张力实用计算公式。把ANSYS模态分析确定的吊杆固有频率代入吊杆张力实用计算公式进行计算,通过对吊杆张力实用计算公式计算所得张力与吊杆健康档案中设计张力的对比和分析,验证了吊杆张力实用计算公式的正确性;④针对重庆长江鹅公岩大桥吊杆的实际情况,采用振动频率法测试悬索桥吊杆张力计算中所需的振动频率。通过对吊杆张力实用计算公式计算所得张力与吊杆健康档案中设计张力的对比和分析,确定了大桥吊杆的健康状态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 悬索桥的发展概况
• 1.1.1 悬索桥的历史
• 1.1.2 国内现代悬索桥
• 1.1.3 国外现代悬索桥
• 1.2 吊杆国内外研究现状
• 1.3 本文研究的目的
• 1.4 本文的主要内容
• 2 吊杆破损分析
• 2.1 引言
• 2.2 吊杆破损的现状
• 2.3 吊杆破损的原因分析
• 2.3.1 钢索破损的原因
• 2.3.2 锚具破损的原因
• 2.3.3 防护破损开裂的原因
• 2.4 吊杆积水及异响的原因分析
• 2.5 预防吊杆产生破损的措施
• 2.6 小结
• 3 吊杆的几何造型
• 3.1 引言
• 3.2 三维几何造型技术概述
• 3.3 Pro/ENGINEER 创建零件三维模型
• 3.3.1 Pro/ENGINEER 创建零件三维模型的方法
• 3.3.2 Pro/ENGINEER 创建零件三维模型的步骤
• 3.3.3 Pro/ENGINEER 创建吊杆三维零件模型
• 3.4 吊杆装配
• 3.5 干涉检查
• 3.6 小结
• 4 吊杆有限元模态分析
• 4.1 引言
• 4.2 模态分析概念
• 4.3 模态分析理论
• 4.4 有限单元法在ANSYS 上的应用
• 4.4.1 有限单元法概述
• 4.4.2 ANSYS 简介
• 4.4.3 ANSYS 模态分析方法的选择
• 4.5 吊杆有限元模态分析结果
• 4.5.1 吊杆有限元模态分析计算模型
• 4.5.2 吊杆有限元模态分析结果
• 4.6 小结
• 5 吊杆张力计算理论与方法
• 5.1 引言
• 5.2 弦模型
• 5.2.1 张拉弦的横向振动
• 5.2.2 张拉弦的横向振动方程求解
• 5.3 梁模型
• 5.3.1 梁横向振动
• 5.3.2 梁横向振动方程求解
• 5.4 弦与梁的组合模型
• 5.5 小结
• 6 吊杆张力实用计算公式
• 6.1 引言
• 6.2 频率方程表达式推导
• 6.3 频率方程曲线拟合
• 6.3.1 Matlab 拟合工具箱拟合
• 6.3.2 直接拾取点拟合
• 6.4 吊杆张力公式对比结果
• 6.5 小结
• 7 吊杆振动频率测试
• 7.1 引言
• 7.2 模态分析相关理论
• 7.2.1 从无限长连续信号到有限长离散信号的实现过程
• 7.2.2 采样定理
• 7.2.3 泄漏
• 7.2.4 窗函数
• 7.2.5 平均技术
• 7.3 测试仪器设备
• 7.4 测试结果
• 7.5 小结
• 8 结论
• 8.1 研究总结
• 8.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录