大跨斜拉网格结构中斜拉索参数振动理论分析及其试验研究

论文摘要

斜拉网格结构是现在应用越来越广泛的大跨空间结构,作为斜拉网格结构的主要受力构件之一,斜拉索柔度比较大,极易在风或风雨作用下发生大幅振动,影响斜拉网格结构的安全性和耐久性,因此,对斜拉索的振动进行理论分析和试验研究是提高斜拉网格结构设计水平的重要工作之一。首先,本文对斜拉网格结构进行了有限元分析,在有限元分析软件ANSYS中建立整体结构有限元模型,对整体结构和局部结构拉索进行模态分析,求出网格结构前几阶振动频率和拉索前几阶振动频率,进行对比,找出易于满足参数振动条件的索,即该处网格结构振动频率为索振动频率的两倍。其次,对满足参数振动条件的索进行理论分析,将网格结构连续的弹性振动视为一端固定的悬臂梁,将塔柱视为一带弹簧的质量块,建立塔柱-拉索-网格结构的非线性振动数学模型,并推导出三者的耦合振动方程,分别采用解析法和数值积分法求解振动方程,理论上研究索参数振动特性,得出当满足网格结构振动频率为拉索振动频率两倍时,网格结构的微小扰动会诱发斜拉索的大幅振动,且振动具有明显的“拍”现象,研究还发现,网格结构振幅不同、拉索内力不同、网格结构和拉索质量比不同、拉索与网格结构夹角不同,都会影响斜拉索是否能发生参数振动、斜拉索参数振动由初始激励达到振动平稳所经历时间和斜拉索参数振动时最大振幅。最后,对拉索参数振动进行试验研究,试验结果表明,当满足参数振动条件,梁振幅达到一定值时,在试验中观察到了索发生大幅度的剧烈振动,其振动方向既有面外的又有面内,振型既有一阶振型又有二阶振型,通过位移传感器记录的索位移时程位移曲线,在试验中观察到索振动具有“拍”现象,并在实验中研究了梁振幅、索内力、梁振动频率、塔柱、索单位长度上质量、索长和索与梁夹角对索参数振动的影响,得出了和理论结果一致的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 斜拉网格结构的发展状况
• 1.3 斜拉网格结构拉索参数振动现象及其振动危害
• 1.4 斜拉网格结构拉索参数振动机理简介
• 1.5 本课题国内外研究综述
• 1.6 本论文的主要工作
• 第2章 斜拉网格结构的整体有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 斜拉网格结构整体有限元模型的建立
• 2.2.1 斜拉索的模拟
• 2.2.2 塔住和网格结构的模拟
• 2.2.3 在ANSYS中建立斜拉网格结构的整体模型
• 2.3 斜拉网格结构的静力分析
• 2.3.1 斜拉网格结构的挠度验算
• 2.3.2 斜拉网格结构斜拉索内力求解
• 2.4 斜拉网格结构的动力分析
• 2.4.1 斜拉网格结构的固有振动
• 2.4.2 斜拉网格结构索的振动
• 2.5 本章小结
• 第3章 斜拉网格结构斜拉索参数振动理论分析
• 3.1 塔柱-索-网格结构参数振动模型
• 3.1.1 建立振动模型
• 3.1.2 基本假设
• 3.2 建立塔柱-拉索-网格结构耦合振动方程
• 3.2.1 索的振动方程
• 3.2.2 网格结构振动方程
• 3.2.3 塔柱振动方程
• 3.2.4 塔柱-拉索-梁耦合振动方程
• 3.3 耦合振动方程的解析解
• 3.4 耦合振动方程的数值解
• 3.5 本章小结
• 第4章 斜拉索模型结构的参数振动试验
• 4.1 试验目的
• 4.2 试验装置的设计
• 4.3 试验所需要仪器、方法和步骤
• 4.3.1 试验仪器
• 4.3.2 试验方法
• 4.3.3 试验步骤
• 4.4 试验数据采集和结果记录
• 4.4.1 梁端振动幅值的变化对索发生参数振动的影响
• 4.4.2 索预应力改变对索发生参数振动的影响
• 4.4.3 梁振动频率与索振动频率比值对索参数振动的影响
• 4.4.4 弹簧对索发生参数振动的影响
• 4.4.5 索线密度对索发生参数振动的影响
• 4.4.6 索长和索与梁之间的夹角对索发生参数振动的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢