斜拉桥中斜拉索的面内外耦合内共振分析

研究了桥面侧振引起的斜拉索非线性振动问题。基于Hamilton原理建立了拉索的非线性振动控制方程,并利用多尺度法得到了斜拉索振动方程的二阶近似解。通过具体算例分析了斜拉索面内一阶模态与面外一阶模态相互耦合发生内共振的可能性,讨论了拉索倾斜角对拉索振动的影响,比较了在零初始条件和非零初始条件下拉索振动响应的区别。研究发现:拉索内共振发生在一定的激励频率和激励幅值区域内;改变倾斜角度,会影响拉索发生内共振时激励频率区域的大小;初始条件的不同,拉索的振动形式会相差很大。     

端点位移激励下斜拉索非线性振动计算方法研究

考虑拉索不同阶模态大幅振动之间的耦合效应,根据拉索的振动理论,详细地推导了单根拉索在端点位移激励下发生大幅振动时的非线性振动方程。根据某实际斜拉桥拉索参数,讨论了不同垂跨比对拉索振动特性的影响。使用四阶Runge-Kutta法求解拉索的非线性振动方程,通过对比有限元模型的非线性动力时程积分数值计算结果,验证了理论模型的可靠性与适用性。     

端点位移激励下斜拉索非线性振动计算方法研究Investigation on computing method of nonlinear vibration of the stayed cable with displacement excitation at the end point

考虑拉索不同阶模态大幅振动之间的耦合效应,根据拉索的振动理论,详细地推导了单根拉索在端点位移激励下发生大幅振动时的非线性振动方程。根据某实际斜拉桥拉索参数,讨论了不同垂跨比对拉索振动特性的影响。使用四阶Runge-Kutta法求解拉索的非线性振动方程,通过对比有限元模型的非线性动力时程积分数值计算结果,验证了理论模型的可靠性与适用性。     

端部激励相位差下斜拉索的非线性振动

斜拉桥中拉索承受着多种端部激励，可激发大幅空间振动．以斜拉索为对象，探究不同端部激励间相位差对其非线性振动的影响．首先，推导斜拉索无量纲离散控制方程，引入考虑相位的三向端部激励得到一般化模型；然后，针对拉索下端存在的纵桥向、竖向和横桥向激励的两两组合，受大幅或小幅激励，及其在主共振区或主参数共振区几组因素，共计12种工况，采用数值分析法分别研究了各工况下不同激励相位差时的斜拉索稳态响应．研究发现：激励相位差能加剧与激励频率相近的面内、外模态振动；在任意端部激励组合下，激励相位差不仅可使斜拉索非线性振动出现定量变化，还可改变内共振的表现形式．面内、外激励组合下，相位差对拉索响应幅值的影响以π为周期变化，且当相位差趋于π/2 + kπ (k = 0, 1, 2…)时影响最为突出；而面内激励组合下，以2π为变化周期，当相位差为π + 2kπ (k = 0, 1, 2, …)时其对稳态幅值的影响最显著．其原因是：面外激励关于拉索所在的竖直面对称，故其本质上以π为周期；而面内激励无此对称性，仍以2π为周期．因此，有无面外激励参与决定了激励间相位差对斜拉索响应的影响规律．     

双稳态电磁式振动能量捕获器超谐波响应研究

超谐波响应是非线性振动系统在较大激励下表现的特性,在某种条件下双稳态振动能量捕获系统的超谐波响应可使系统产生优越的输出功率。本文将质量-非线性弹簧-阻尼系统与双稳态振动能量捕获器相结合,提出了附加非线性振子的双稳态电磁式振动能量捕获器,建立系统的力学模型及控制方程。采用两项式谐波平衡法,获得了双稳态系统在简谐激励下产生大幅运动的基谐波和超谐波响应的解析解,借助数值仿真分析了质量比和调频比对双稳态振动能量捕获器产生大幅运动的影响规律,获得了双稳态系统的结构参数的最佳配置范围,且当外部激励频率处于低频段时,系统发电主要表现为超谐波发电,随着激励频率的增大,振动发电系统主要呈现基谐波发电。上述研究,为双稳态能量捕获装置的理论研究提供了参考。     

轴向运动正交各向异性板的超谐波共振及稳定性

研究了轴向运动正交各向异性条形薄板在线载荷作用下的超谐波共振问题。通过哈密顿原理导出了几何非线性下正交各向异性条形板的非线性振动方程。运用伽辽金积分法,推得了关于时间变量的量纲归一化非线性振动微分方程组。应用多尺度法求解三阶超谐波共振问题,得到了稳态运动下一阶、二阶、三阶共振形式的共振幅值响应方程。利用Liapunov方法推得不同共振形式稳态解的稳定性判据,并据此分析不同参数对系统稳定性的影响。绘制了振幅特性变化曲线图和与之对应的激发共振多解临界点曲线图,分析系统参数对共振的影响,并预测系统进入非线性共振区域的临界条件。得出激励在特定位置区间时可激发系统的超谐波共振,随着激励幅值的增加,上稳定解支减小,下稳定解支增加,且一阶模态振幅大于二阶、三阶振幅。     

斜拉桥塔-索-桥面连续耦合参数振动特性分析

针对端部激励作用下斜拉索与桥塔、桥面协同振动问题,考虑拉索几何非线性、倾角、阻尼以及拉索重力弦向分力的影响,引入拉索高精度抛物线形,建立了桥塔-索-桥面连续非线性精细化振动模型,推导了拉索与桥塔和桥面共同在激励作用下的耦合振动方程组,研究了桥塔-索-桥面结构系统参数的振动特性,并用数值仿真方法分析桥面与拉索频率比、桥面激励幅值、索力及拉索阻尼对结构耦合振动特性的影响规律。结果表明:桥面与拉索的频率比分别为1∶2和2∶1时,拉索会发生不同模式的大幅振动;相比于超谐波共振模式,亚谐波共振模式的拉索振幅更大,但达到共振所需时间较长;拉索振幅随桥面激励幅值的增大呈非线性增大,桥面激励幅值越大,拉索积蓄共振能量所需的时间越短;拉索振幅随索力增大而减小;拉索自身阻尼对其振动的影响较小,增大拉索阻尼时,拉索振幅虽有减小趋势,但是减小幅度有限。     

斜拉桥塔-索-桥面耦合参数振动模型及响应分析

针对大跨度斜拉桥拉索与桥塔、桥面的协同振动问题,考虑拉索垂度、阻尼、倾角以及重力弦向分力的影响,引入拉索高精度抛物线形,建立了桥塔-索-桥面连续非线性精细化振动模型,推导了桥塔和桥面共同激励作用下斜拉索耦合振动方程,对比分析了2种激振模式下斜拉索的参数振动特性,并编制程序研究了桥面与拉索的频率比、桥面激励幅值、索力及阻尼对结构耦合振动特性的影响规律。结果表明：桥面与拉索频率比对系统振动的影响较大,频率比为1:2和2:1时拉索均产生强烈振动,但2:1激振模式下拉索振幅更大,达到共振时间较长;随着桥面激励幅值的增大,2:1亚谐波共振模式下的拉索振幅增长速率更快;拉索振幅随索力的增大呈非线性减小趋势;斜拉索阻尼超过2%时,继续提高自身阻尼不能有效减小其振动幅值,需要通过设置附加阻尼才能更好地抑制其振动。     

内共振条件下轴向运动梁磁弹性超谐共振研究

以载流导线激发的磁场中轴向运动梁为研究对象,同时考虑外激励力作用,推导出梁的磁弹性非线性振动方程．通过位移函数的设定和伽辽金积分法,将非线性振动方程离散为常微分方程组．采用多尺度法得到系统的近似解析解．应用Matlab 和Mathematica 软件求解幅频响应方程,并对稳态解进行稳定性判定．通过具体算例得到前两阶假设模态的响应幅值随不同参数的变化规律．结果发现：系统在内共振条件下发生超谐波共振时,二阶假设模态幅值明显小于一阶;随着外激励的增大,多值解区域范围明显缩小;随着电流强度增加,振动幅值减小,表明载流导线能够起到控制共振的作用．     

大跨斜拉桥拉索面内参数振动简化模型及工程应用

斜拉索是斜拉桥的重要受力构件,当索梁耦合振动时,斜拉索易发生大幅的参数振动。本文提出了一个不计拉索垂度并忽略桥梁自重影响的单自由度力学模型,推出了斜拉索参数振动的简化分析方程。为了考察方程的可行性,利用计算机对该方程进行了仿真,并与另一考虑索桥耦合作用运动方程的仿真分析作了对照,得到了非常相近的结果。基于实验室24.2m的模型斜拉索,辨识了该拉索的固有频率和阻尼,通过试验实现了该斜拉索的一阶参数振动,并分析了发生一阶参数振动时激励频率与固有频率比值。另外运用本文提出的简化方程对实验室拉索作了仿真,得到了参数振动现象,与实验结果对比得到:利用简化分析模型对试验拉索的仿真分析与实验室拉索的实验结果比较吻合,表明不考虑桥梁质量的简化模型具有足够的准确性。最后,结合工程实例,对鄂东大桥的某一可能发生参数振动的拉索进行了仿真分析,表明在桥梁自重较重时本文所提出的简化方程具有较好的适用性;并且发现加装阻尼器可以有效抑制拉索的参数振动。     

In-plane non-linear dynamics of the stay cables

Stay cables used in cable-stayed bridge and cable-stayed arch bridge are prone to vibration due to their inherent susceptibility to external deflection. The present work is devoted to the mitigation of a stay cable from the point of view of its nonlinear dynamics. The Galerkin integral, multiple scales perturbation method, and numerical techniques are applied to analyze the primary and subharmonic resonances of the stay cable. The nonlinear dynamic response of the stay cable subjected to parametrical and forced excitations is investigated numerically. The effects of some key parameters of the stay cable, such as initial tension force, damping and inclination angle, and the excitation frequency and amplitude are discussed. The carbon fiber reinforced polymers (CFRP) cable is also studied to understand the effect of the material properties of cable. The results show that these parameters have a considerable effect on the dynamic behavior of the cable. In particular, unreasonable tension force and inclination angle of stay cable may cause excessive vibration. It is suggested that CFRP cable replaces steel cable, which can mitigate the vibration of a stay cable.     

CFRP索斜拉桥的索-浅拱模型及面内自由振动分析

本文针对斜拉桥的受力特点,基于索和浅拱的经典动力学运动方程,结合拉索与浅拱之间的耦合边界条件,并且考虑两者的几何非线性,建立了斜拉桥的多索-浅拱面内自由振动模型。将浅拱分段处理,结合索、浅拱连接处的动态平衡条件,应用分离变量法,建立多索-浅拱模型的面内自由振动理论。以双索浅拱模型为例,求解其特征值问题。同时,建立了相应的有限元模型,有限元计算结果与本文理论分析吻合良好。最后针对CFRP索斜拉桥的关键参数,基于本文的索-浅拱理论,对面内自由振动进一步研究。研究表明：浅拱的矢高在一定范围内变化,仅对某一阶频率产生影响,而其他各阶频率几乎没影响;CFRP拉索能显著改善索-浅拱组合结构的基本动力学特性。     

Planar nonlinear dynamic analysis of cable-stayed bridge considering support stiffness

Support stiffness is one of important factors on structure dynamics. Considering the vertical support stiffness, a multi-cable-stayed shallow-arch model of the cable-stayed bridge is established. Its differential equation governing the planar motion of cables and the shallow arch and the boundary conditions are derived by Hamilton’s principle. Firstly, the in-plane free vibration of the system is explored in order to find the modal functions and the possible internal resonances of nonlinear dynamics. Then, the 1:2:2 internal resonance among the different modes of the shallow arch and two cables are investigated by the multiple time scale method and pseudo-arclength algorithm. Meanwhile, the frequency-/force–response curves are used to explore the nonlinear behaviors of the system, especially the influence of vertical support stiffness, excitation frequency and amplitude on the internal resonance of the system is considered. To a certain extent, the support stiffness can reduce the response amplitudes of members by absorbing some energy from excitation.

     

相近参数拉索的同/异步振动特性研究

辅助索被认为是一种具有潜力的减振手段,但仅在拉索间发生异步振动时才能取得良好的效果．然而,目前对拉索同/异步振动机理尚缺乏系统研究,为此对双水平索进行了模型试验研究．试验主要关注两根不同垂跨比水平拉索跨中面内响应的相位关系．首先对模型进行不同激励频率和保持激励幅值不变下的振动测试,发现垂跨比相同时,两根索相位差基本保持一致;垂跨比不同时,两根索由同步振动转为异步振动．同时采用有限元软件模拟测试实验,其结果与实验吻合良好．为更进一步探究其机理,对试验模型进行了相同激励幅值下的扫频试验．通过对双索幅频特性和相频特性的分析,发现拉索相近参数导致共振区错位是双索存在异步振动现象的根本原因．     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响

应用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一. 将主梁、索与阻尼器组合起来作为一个振动体系,通过理论分析与试验研究相结合的方法初步研究了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 建立了由索、梁和Kelvin阻尼器组成的简化理论模型; 设计了索、梁和阻尼器组合系统的简化力学试验模型; 详细研究了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 理论与试验分析结果表明: 对于容易发生索、梁耦合振动的拉索,主梁振动明显降低拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,需考虑主梁参与振动的影响.      

Analysis of in-plane 1:1:1 internal resonance of a double cable-stayed shallow arch model with cables' external excitations

The nonlinear dynamic behaviors of a double cable-stayed shallow arch model are investigated under the one-to-one-to-one internal resonance among the lowest modes of cables and the shallow arch and external primary resonance of cables. The in-plane governing equations of the system are obtained when the harmonic excitation is applied to cables. The excitation mechanism due to the angle-variation of cable tension during motion is newly introduced. Galerkin's method and the multi-scale method are used to obtain ordinary differential equations(ODEs) of the system and their modulation equations, respectively. Frequency-and force-response curves are used to explore dynamic behaviors of the system when harmonic excitations are symmetrically and asymmetrically applied to cables. More importantly, comparisons of frequency-response curves of the system obtained by two types of trial functions, namely, a common sine function and an exact piecewise function, of the shallow arch in Galerkin's integration are conducted.The analysis shows that the two results have a slight difference; however, they both have sufficient accuracy to solve the proposed dynamic system.     

预应力混凝土斜拉桥空间非线性恒载索力优化

本文建立了斜拉桥索力优化的非线性规划模型,其中以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数,以各斜拉索的索力为设计变量,结构应力及索力为约束条件,采用一阶分析法进行求解,用以确定成桥合理状态的索力。在计算中,考虑大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响,并列出了优化模型的具体表达式及优化过程中的关键求解策略。应用该法和空间非线性有限元分析程序分析了某大跨度预应力混凝土斜拉桥的合理成桥状态,计算结果表明:该方法简单、有效。     

斜拉桥合理成桥状态确定的一阶分析法

本文建立了斜拉桥索力优化的非线性规划模型，其中以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，以各斜拉索的索力为设计变量，结构的应力及索力为约束条件，采用一阶分析法进行求解，用以确定成桥合理状态的索力。在计算中，考虑大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，并列出了优化模型的具体表达式及优化过程中的关键求解策略。应用该法和空间非线性有限元分析程序分析了某千米级斜拉桥方案的合理成桥状态，计算结果表明：该方法简单、有效。