百色水利枢纽主要工程地质问题及施工处理

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.     

斜拉索附加带刚度阻尼器的参数优化分析

斜拉索的风雨振动及其控制是目前国内外研究的热点问题之一.其中,阻尼器减振技术得到了广泛的应用,但是,对于阻尼器的一些非理想因素如阻尼器刚度的影响,尚缺乏研究.本文对斜拉索附加带刚度的阻尼器的模态阻尼比进行了分析,通过分析复频率的变化,在阻尼器安装点距拉索锚固点长度与拉索长度之比远远小于1的假设下,得到了考虑刚度影响的拉索阻尼器的模态阻尼比的近似解析解.该近似解析解与数值计算得到的精确解对比吻合良好.对于斜拉索减振,与忽略刚度影响的阻尼器类似,带刚度的阻尼器同样存在着通用设计优化曲线.阻尼器所带有的刚度将显著的减小拉索-阻尼器系统所能获得的最大模态阻尼比,而所对应的阻尼器最优阻尼值将增大.     

斜拉索振动控制中MR阻尼器选型的研究

以全索全时段振动响应的均方根(RMS)评价MR阻尼器对斜拉索的减振效果。计算结果表明MR阻尼器型号是影响斜拉索减振效果的最主要因素。斜拉索的减振效果在选用合适的MR阻尼器时达到最佳。进而研究了MR阻尼器型号与阻尼器安装位置、施加的电压、斜拉索基频(张力、索长、质量)、激励荷载(类型、频率、幅值)等各种因素的关系,为MR阻尼器合理选型提供了优化设计的方法。型号选用主要是与斜拉索基频和MR阻尼器安装位置有关。在引起索基频变化的因素中,索质量对型号的选取影响最大;而索长对型号影响不大。对于索质量较大、张力较大、MR阻尼器安装位置较低、外界激励较大、频谱特征多变、低频为主时需要较强的MR阻尼器。进一步研究表明,半主动控制与开环控制的最优MR阻尼器型号有较好的一致性,因此半主动控制所选用的MR阻尼器型号可参照被动控制时最优MR阻尼器型号。     

π型组合桥面斜拉桥涡振性能及气动优化措施研究

π型组合桥面主梁断面是目前斜拉桥常用的断面形式之一，然而π型开口断面为典型钝体气动外形，易发生气流分离与交替性的旋涡脱落，引发涡激振动问题，因此需要对其断面形式进行优化，以达到减振、抑振的效果。本文通过某主梁宽高比为7.9的π型组合桥面斜拉桥节段模型风洞试验，研究了栏杆形式的改变、稳定板、倒L型裙板等措施对主梁涡振性能的影响。研究结果表明，部分封闭检修道栏杆及斜拉索防护栏杆可不同程度降低竖向涡振幅值，但改变斜拉索防护栏杆的构造形式会增大主梁竖向涡振幅值；增加梁底稳定板长度或道数，减振效果更明显；倒L型裙板能降低主梁竖向涡振幅值，但对扭转涡振的减振效果不佳；倒L型裙板与稳定板的组合措施可进一步降低主梁竖向涡振幅值，但不能有效减小扭转涡振幅值；倒L型裙板与封闭斜拉索防护栏杆上缘的组合措施能有效抑制主梁涡振。研究成果可为类似主梁断面的涡振减振设计提供参考。     

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。     

斜拉索振动的模糊半主动控制研究

考虑拉索垂度及抗弯刚度的影响,得出了索-阻尼器系统振动偏微分方程;用中心差分法将偏微分方程在空间内离散,导出了系统的面内振动常微分方程组;提出了使用MR阻尼器(Magnetorheological Damper)作为控制设备,模糊集为基础的半主动控制算法,并运用提出的算法对索-阻尼器系统进行了振动控制分析。本文方法的优势在于算法自身的鲁棒性、处理非线性问题的能力强和不需要结构的精确数学模型,算法需要的输入变量少,可以解决实际工程中斜拉索的振动响应信息难以测量的困难。模糊算法的输出直接控制MR阻尼器的输入电压。与LQR-Clipped算法不同,MR阻尼器的输入电压可以是零与最大值之间的任意值。本文以实际斜拉桥拉索为例,分析了拉索的振动控制效果,结果表明本文提出的模糊半主动控制算法,使MR阻尼器的功能得到了更好的发挥,比MR被动控制效果好,且可以减小控制力。     

文章导读

大跨度斜拉桥非线性振动模型与理论研究进展(519–535, doi：10.6052/0459-1879-15-436)康厚军,郭铁丁,赵跃宇
　　从非线性建模方法、力学/数学模型、求解策略和动力学分析等方面,重点介绍了以下5个课题的研究进展：(1)斜拉索非线性动力学模型;(2)梁的非线性动力学模型;(3)索-梁组合结构的非线性动力学模型;(4)斜拉桥整体非线性动力学模型与理论;(5)斜拉桥的非线性振动实验。     

大跨度斜拉桥非线性振动模型与理论研究进展

斜拉桥的非线性动力学问题一直都是力学、结构和桥梁领域的研究热点.随着新材料(如碳纤维增强聚合物索)和新施工工艺的发展,斜拉桥的跨越能力不断得到提高,从而在桥梁建设中更具有竞争力.然而,斜拉桥跨度的增大和新材料的应用使结构变得更轻和更柔,使结构的非线性振动问题比以往更为突出,可能危及桥梁安全.基于课题组近年来对斜拉桥非线性动力学的研究,围绕大跨度斜拉桥的非线性建模理论及动力学问题,较为详细地评述近十年来国内外的研究进展情况.主要从斜拉索非线性动力学模型、梁的非线性动力学模型、索-梁组合结构的非线性动力学模型、斜拉桥整体非线性动力学模型与理论、以及斜拉桥的非线性振动实验等几个方面对斜拉桥非线性建模方法、力学模型、数学模型、求解方法及相应研究成果进行评述和讨论.研究结果表明,斜拉桥由于多柔性索和大跨度梁的耦合问题,以及环境载荷的复杂性,导致其具有丰富的非线性动力学行为.同时由于高维非线性系统求解方法的欠缺,整体斜拉桥非线性动力学行为又相当复杂,深入研究面临很大困难.最后,基于未来斜拉桥的发展趋势和可能面临的突出问题,对斜拉桥非线性振动问题今后的发展方向进行了探讨和展望.      

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。     

高速铁路连续箱型梁桥的动力响应与减振分析

根据列车具体的轴距和轴重,建立了和谐号动车组CRH380AL型列车简化模型;对高速铁路两跨连续梁桥采用多自由度欧拉伯努利梁单元进行主梁的模拟,并将液体黏滞阻尼器模拟为有限元阻尼单元;采用Newmark直接积分方法求解了高速列车作用下的连续梁桥运动方程,数值分析了列车车速以及液体黏滞阻尼器的阻尼系数对于高速铁路连续梁桥振动响应的影响。结果表明:黏滞阻尼器对于桥梁具有明显的减振效果,阻尼力不仅与阻尼系数有关还与列车时速有关;同一黏滞阻尼器条件下,桥梁的最大加速度并不随列车速度的增加而单调增加,而是在某些特定列车车速下桥梁的最大加速度出现了峰值,且随着黏滞阻尼器的阻尼系数增大,桥梁振动响应峰值处的最大加速度减幅不同;同一列车时速的条件下,桥梁的减振效果并不是随着阻尼系数的递增呈正比递增,而是随着阻尼系数的增大,阻尼器的减振效果增幅在减小。     

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.     

大跨径斜拉—悬索协作体系桥动力分析

斜拉-悬索协作体系桥作为一种新的超大跨径桥型，综合了悬索桥和斜拉桥的特点，国内外对这种桥型的研究尚少。本文根据空间有限元计算模型，对伶仃东航道斜拉-悬索协作体系桥设计方案进行了模态分析，分析了斜拉-悬吊协作体系桥的固有特性，讨论了不同主梁纵向约束方式和辅助墩的设置情况的影响，为此类桥型结构的动力性能分析提供了有价值的参考。     

斜拉索各参数取值对索力测定结果的影响

为了确保频率法测定斜拉索索力的精度，以某斜拉桥中的拉索为例，采用平面非线性有限元法探讨了斜拉索各参数取值对索力值的影响，并讨论了各参数的合理取值．利用分析结果找到了不同的测试单位在该斜拉桥的索力联测中存在较大索力偏差的原因，可对施工过程中的索力精确测定提供帮助．分析结果同样适用于悬索桥和悬挂屋顶等索结构的索力测定．     

弯梁斜跨拱桥合理恒载状态研究

弯梁桥和拱桥相互协作形成的弯梁斜跨拱桥,充分结合了弯梁桥的行车舒适性与拱桥易于布索的特点,大幅度提高了弯梁的跨越能力。本文首先综合斜拉桥索力调整和拱桥合理拱轴线设计方面的经验,研究弯梁斜跨拱桥合理恒载状态的实用设计方法;然后提出了约束松弛的二次规划算法和基于刚度矩阵减少重分析的策略,提高计算的收敛性和求解速度;最后经实桥分析指出设计中应注意的问题,为弯梁斜跨拱桥的应用提供依据。     

谐波激励下斜拉桥面内非线性振动试验研究

斜拉桥拉索的振动问题一直是桥梁工程领域的研究热点。为揭示拉索大幅振动的力学机理，课题组建立了斜拉桥的全桥精细化模型，本文测试和研究了单频激励下的斜拉桥可能的非线性振动行为。首先，通过自由振动试验测试了模型的模态参数，并与两类有限元模型（OECS模型和MECS模型）进行对比，结果吻合良好。其次，试验研究了在单个竖向简谐激励下斜拉桥模型的非线性响应。研究发现：当激励频率与斜拉桥某阶全局模态频率接近时，主梁产生主共振，并引起多根长索产生大幅的参强振动；当激励频率与某根斜拉索面内一阶频率之比为1：2或者2：1时，可以观测到索中产生超谐波和亚谐波共振现象。     

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。     

千米级斜拉桥施工过程中主梁的预转折角研究

斜拉桥安装、张拉、起拱等系统的施工金过程分析和控制技术是一项涉及斜拉桥质量和安全的关键技术问题。本文以某千米级斜拉桥为例,采用一阶最优化计算方法来确定斜拉桥的合理施工状态。以成桥后主梁的线形为目标函数,施工中主梁节段的预转折角为设计变量,建立了斜拉桥施工控制的空间非线性有限元分析模型,模拟了钢箱主梁的悬臂拼装过程,求出各施工阶段节段的预转折角。     

大跨度斜拉桥环境振动试验与分析

桥梁环境振动试验具有简单方便和花费少等优点。以青洲闽江大跨度斜拉桥为背景,介绍了通车前全桥环境激励动力试验,采用频域峰值法和时域随机子空间识别得到了该桥的基准的动力学特性,并与三维有限元模型计算结果进行了比较,二者吻合良好。结果表明环境振动响应足以识别出该桥所感兴趣的模态,结果可作为该桥的有限元模型修正、损伤检测、使用状态评估和健康监测的基础。     

Three-phase coupled modelling research on rain–wind induced vibration of stay cable based on lubrication theory

Cables of cable-stayed bridges may vibrate with large amplitude under wind and rain, which is known as rain–wind induced vibration (RWIV). According to the pervious researches, the formations and oscillations of rivulets on stay cable surface play important roles in RWIV. In this paper, four different 2D models are presented based on lubrication theory, and the best way of simulating RWIV through lubrication theory is confirmed by the comparisons of rivulet motions and cable vibration responses between these four models and pervious researches. On this basis, the relations among rivulet motions, cable aerodynamic forces and vibration responses are investigated to reveal the mechanism of RWIV. Numerical simulation results show that when RWIV occurs, the periodic oscillations of rivulets around cable lead to the periodic fluctuations of cable lift and drag, whose frequencies are almost equal and close to cable natural frequency. Under the periodically fluctuant lift and drag, cable vibrates with large amplitude in across-wind and along-wind directions, which may further enhance the circumferential oscillations of rivulets conversely. These confirm the conclusion that the resonance between rivulets and cable oscillation may be one of the main reasons for RWIV.