考虑非稳态风荷载斜拉索风雨激振响应分析

为研究自然风荷载对斜拉桥拉索风雨激振的影响,将数值模拟的非稳态风荷载作用到拉索振动微分方程中,对拉索振动响应进行了详细分析。首先,针对水线初始位置,使用最小二乘法拟合得到水线初始位置方程;接着,采用四阶Runge-Kutta法求解拉索振动响应。通过比较在非稳态风和稳态平均风作用下的拉索响应,发现在非稳态风荷载下拉索最大振幅的变化趋势并没有发生较大改变,皆是随着风速的增大先增大后减小;但拉索的整个振动过程发生了变化,伴随着节拍改变,其最大振幅也出现在不同振动周期内。此外,从风速-振幅曲线知,对频率为1 Hz,2 Hz和3 Hz的拉索,在一定风速范围内,考虑非稳态风荷载的拉索振幅反而更大,而且此时的风速范围也更大。     

变化外形的水线对斜拉索风雨激振的激发作用

讨论变化外形的水线对斜拉桥拉索风雨激振的激发作用.首先,建立考虑水线外形变化的斜拉桥拉索风雨激振计算模型,并将由采用变化水线外形的模型得到的拉索最大振幅与固定水线外形模型的计算结果及试验实测结果对比,对模型进行验证;在模型得到验证的基础上,进一步讨论拉索和变化水线外形的水线振动稳定性及水线对拉索风雨激振贡献.计算结果表明,在四个典型工况下,考虑水线外形变化的模型得到的拉索计算振幅固定水线外形模型能更好地与试验实测振幅吻合;理论分析发现拉索速度和水线速度的耦合作用对水线运动的激发起到主导作用;水线的加速发散发生在拉索大幅激振之前.没有水线加速发散的时程中,拉索均不发生大幅激振.     

考虑塔梁影响的斜拉索随机激励参数振动分析

为了揭示随机激励下斜拉索参数振动特性，考虑塔、梁协同振动的影响，建立了高斯白噪声激励下斜拉索-桥塔-桥面梁耦合振动微分方程，推导了耦合体系的伊藤状态方程组，采用Milstein-Platen法构造了斜拉索振动时程求解迭代格式，研究了斜拉索振动的时程、统计和频域特性，分析了桥塔侧向扶正作用、激励强度和索塔梁初始位移对拉索振幅产生的影响．结果表明：随机激励下斜拉索振动呈现出双“拍”振现象，“拍”幅值和周期具有随机性；拉索随机位移均值、均方差在振动初期具有长时间的非平稳特性；拉索响应幅值对应的频率和拉索功率峰值对应的频率基本一致，但随机激励下的拉索幅值和功率峰值更大；拉索振动概率密度曲线满足高斯分布和马尔科夫性质；桥塔侧向扶正作用越强，拉索振幅越小；激励强度越小，拉索振幅越小；各结构初始位移越大，拉索振幅越大，且对桥面梁初始位移越敏感．     

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。     

拉索预应力巨型网格结构参激振动及动力稳定性研究

针对拉索预应力巨型网格结构的参激振动及动力稳定性问题进行了研究。首先建立索-拱简化模型，分析了桁架拱拉索参激振动的诱发机制与特征，并利用ANSYS软件进一步探究了参激振动的影响因素，然后对简谐荷载作用下拉索预应力桁架拱及整体结构的动力稳定性进行了分析。研究表明：当结构振动频率为索基频的2倍左右时，拉索会发生参激振动，振动响应特征与激励幅值、阻尼、拉索初张力、支承方式等相关；拉索预应力桁架拱在水平简谐荷载作用下一般会发生动力失稳破坏，在竖向简谐荷载作用下发生动力强度破坏，拉索预应力巨型网格整体结构在简谐荷载作用下通常发生动力失稳破坏。     

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。     

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。     

雷暴冲击风下输电塔风振特性试验研究

基于自主开发的试验装置,在常规边界层风洞中实现了大比例稳态雷暴冲击风剖面的模拟,并以输电塔气弹模型为研究对象,采用非接触式位移测量仪测量模型的风振响应,分析了不同类型雷暴冲击风场下输电塔的平均位移特性,并与常规B类风场下的风振特性进行了对比。试验结果显示,输电塔的风振响应均以两个方向的一阶弯曲振型为主,扭转响应和高阶弯曲响应不显著。随风速增加,不同风场下输电塔位移响应均呈抛物线趋势增大,最大风速处于塔头部位的冲击风场引起的输电塔位移响应明显高于最大风速处于塔身中部冲击风下的响应值,B类风场下的响应介于两类冲击风场间,且不同风场下位移响应间的差距也随风速增加不断增大。     

随机风场下高层结构振动隔震与TMD混合控制研究

针对风荷载作用下高层建筑结构振动控制问题,基于建筑隔震和调谐质量阻尼器振动控制原理,利用ANSYS软件分别建立高层结构带隔震层和带调谐质量阻尼器(TMD)的单一控制策略以及两者相结合的混合振动控制策略。根据Davenport脉动风速谱,采用自回归模型(AutoRegressive,AR)法,考虑竖向相关性、平稳的多变量随机过程以及它的互谱密度矩阵模拟生成具有随机性的脉动风速时程曲线和风速谱的功率谱密度,并用于20层钢结构Benchmark结构模型。系统比较三种振动控制策略在顺风向脉动风载作用下的控制效果,结果表明隔震与TMD混合振动控制方法可以有效地抑制结构风振响应,控制效果很好地弥补了单一振动控制的缺陷。本文方法可应用于大尺度高层结构振动控制中,实现高层建筑结构风振响应的可靠控制。     

热荷载作用下薄板振动能流的可视化研究

基于振动声强法研究了热荷载作用下矩形薄板中振动能量的传递和分布特性.首先,得到热荷载作用下薄板的振动方程,并详细给出了热荷载作用下薄板振动声强的表达式,可利用模态叠加法求出薄板振动的横向位移.之后,利用流线可视化技术,通过流线图显示出薄板振动时能量流出的位置,能量被吸收的位置和能量的流动路径.最后,通过具体的数值算例分析了热荷载和机械荷载对薄板振动时能量流动的影响,数值模拟表明施加热荷载后会改变机械荷载对薄板中振动能量流动的影响,使振动能量的流动路径发生明显改变,且在不同的热荷载作用下,通过改变机械荷载可以抵消热荷载对振动能量流动的影响.     

梁式结构受移动荷载作用非平稳随机振动的DQ-PEM方法

针对梁式结构受移动荷载作用的非平稳随机振动问题,提出了一种综合利用微分求积法和虚拟激励法DQ-PEM的新方法。梁式结构受移动荷载作用的振动控制方程为含Dirac函数的偏微分方程,利用微分求积(DQ)-积分求积法(IQ)法将其振动控制方程转化为不含Dirac函数的常微分方程。同时,将表示荷载位置变化的Dirac函数视为移动荷载的非平稳化函数,再结合虚拟激励法的思想,可得梁式结构在确定性荷载作用下的虚拟响应,进而得到其非平稳随机响应。通过工程算例验证了该方法的准确性与有效性,并进一步讨论了不同速度和不同边界条件下梁式结构受移动荷载作用的随机振动问题。     

列车诱发环境振动在某古遗址内的应力分布规律研究

以陇海铁路沿线某古遗址为研究对象,采用考虑轨道不平顺、附加动载、轨面波磨效应的列车荷载作为输入,结合有限元软件及外接VDLOAD子程序,建立了轨道、道床、地面、古遗址的三维有限元分析模型。通过进行白噪声激励发现,古遗址竖向振动响应明显,且其主要响应频率集中于16~50Hz之间;另外研究了以120km/h运行的列车诱发振动和多遇地震作用下古遗址内应力的分布规律。结果表明:在列车诱发振动荷载作用下,古遗址内最大应力主要分布于古遗址二层关楼墙角以及门洞拱券处等复合受力位置,易造成应力集中,所得应力分布位置与现场观测所见古遗址裂缝分布位置基本一致;古遗址裂缝的分布大体与列车运行方向垂直,随着列车诱发振动的频繁作用及列车车速不断提高,顺列车运行方向振动效应对关楼现存裂缝的影响将逐渐增强;多遇地震作用下关楼应力主要集中于现有裂缝处,一旦发生小震易造成关楼裂缝继续发展甚至发生坍塌。     

矩形移动荷载作用下饱和-非饱和土双层地基的动力响应分析

考虑地基为饱和-非饱和土双层半空间,利用连续介质力学和多相孔隙介质理论,构建双层地基的统一动力控制方程并进行耦合求解。利用Dirac-delta函数和Heaviside阶跃函数将矩形移动荷载作用描述为时间和空间坐标的解析函数,将荷载函数代入地基动力控制方程,采用三重Fourier变换以及降阶法进行求解,并对推导结果进行退化验证及对饱和-非饱和土双层地基的动力响应进行分析。研究表明,当荷载移动速度小于瑞利波速时,竖向振动峰值很小,振幅随速度的增大发生小幅增涨,但当荷载速度达到瑞利波速时,竖向振动发生激增;随着速度进一步增大,竖向位移多次出现峰点。非饱和土的饱和度及土层厚度也对地基振幅存在显著影响。     

桅杆风致破坏机理研究

桅杆风致破坏的情况屡见不鲜。桅杆的非线性是相当复杂的,它是由拉索的几何非线性和拉索的张力产生的,拉索的张力又依赖于拉索的几何位置。研究指出由于在经常性风荷载作用下,桅杆产生空间混沌振动,并由此产生疲劳破坏的结果,但这些研究仅限于确定性情况。本文中将研究扩展到随机问题,数值计算结果表明该系统存在随机混沌现象,其响应平均值与平均应力指出混沌性质。为了进一步研究桅杆破坏机理,因此在本文中,既考虑突发性故障问题,又考虑随机疲劳寿命问题,并给出时间与应力极值概率。     

单层平面索网幕墙结构的几何非线性问题研究

单层平面索网支承式玻璃幕墙结构是近年来在国内外应用较为广泛的一种新型幕墙结构形式,由于单层平面索网不具有负高斯曲面形式,结构在平面外方向的刚度偏柔,表现出较明显的几何非线性特征.本文采用连续化方法建立了单层平面索网结构考虑几何非线性影响的静力平衡方程和振动方程,得到了结构刚度的解析表达式,并采用谐波平衡法求得非线性频率的简化解析表达式,以此为基础研究了单层平面索网结构的静力非线性和动力非线性问题.研究结果表明:结构的非线性和结构的初始位置密切相关;结构的非线性频率主要取决于索的初始应变、结构振动幅值与跨度的比值,几何非线性对于结构动力性能的影响要小于对结构静力性能的影响;本文得到的结构在地震荷载和平均风荷载作用下的非线性振动方程和非线性频率为结构在地震荷载和脉动风荷载作用下动力响应的求解奠定了基础.     

不同边界条件下拉索振动的主动控制研究

拉索由于质量轻、柔性大、阻尼小,在风荷载作用下,容易产生横向振动.一般情况下,想要通过安放在拉索锚座附近的被动、半主动控制装置来抑制这种振动有一定的困难.而在拉索的锚座处沿拉索轴向实施主动控制却是一种很好的方法.由于某些情况下拉索的抗弯刚度对振动频率有一定的影响,本文在考虑拉索抗弯刚度的基础上,建立了不同边界条件下拉索振动主动控制模型.本文通过线性二次型最优控制(LQR)策略对拉索振动实施了主动多模态控制仿真分析.计算结果表明,轴向主动多模态控制能够有效地抑制拉索的振动.     

广义密度演化方程与经典随机振动分析的比较研究

以结构随机风振响应分析为背景,考察了线性体系在平稳风荷载激励下的随机动力反应,进行了广义密度演化方程与经典随机振动分析的比较.基于物理随机系统研究框架,平稳脉动风荷载模型化为随机Fourier谱.分别以线性单自由度体系和线性多自由度体系为研究对象,比较分析了系统响应的概率密度演化解、理论平稳解和虚拟激励法解答.结果表明,分析系统有限时间内的随机动力反应,概率密度演化方法不仅能够获得渐近平稳段的稳态响应,而且能够反映响应非平稳初始效应的影响,与经典随机振动理论的虚拟激励法解答在均方特征意义上是等价的.     

LT50m缩比模型悬索舱体系统的风振分析

在新一代大型射电望远镜（LT）的悬索舱体系统中增加了抑制风激振动的下拉结构控制索系，并分析了50m缩比模型的风振响应。首先，由非线性静力分析确定结构初始静态参考位形和初应力；其次，针对结构特点模拟作用在悬索和馈源舱上的随机风荷。在上述研究的基础上，在时域中模拟分析下拉索系对结构风振的抑制效果，同时通过典型节点时域响应的FFT变换，给出响应自功率谱图，进一步描述了振动控制的效果。     

块Lanczos法在大跨屋盖风致响应中的应用

提出块Lanczos向量直接叠加法分析大跨屋盖结构的风致响应.将适用于单个初始荷载向量的Lanczos方法推广到由多个初始荷载向量线性组合的一般动力荷载情况.由于不仅Lanczos块内的向量之间相互正交,而且Lanczos块之间也相互正交,屋盖结构的运动方程变换为块三对角矩阵的带状形式.这个途径不仅便于有效地应用时间域逐步积分解法,而且便于应用频率域解法.对脉动风荷载作用下的屋盖结构,多个初始荷载向量可应用本征正交分解得到.它将风压场分解为主坐标与协方差模态的组合,主坐标仅依赖时间而协方差模态仅依赖空间位置.根据圆拱顶屋盖模型风洞试验得到的风荷载,采用块Lanczos法、一般的Lanczos法以及传统的模态叠加法计算了屋盖竖向位移响应.对块Lanczos法的精度及效率作了讨论.     

冰激结构频率锁定振动的发生机理及简单分析方法

冰激结构频率锁定振动是冰区海洋工程结构的危险工况.对频率锁定振动过程的传统机理解释没有体现这一过程的全部物理特征,导致现有的分析方法无法准确分析这一问题.本文基于对现场测量结果的分析,提出了一种海冰韧性损伤-破碎过程与结构振动耦合导致频率锁定振动的机理.该机理认为,海冰在直立结构频率锁定振动过程中发生韧性损伤-破碎行为,海冰的韧性损伤-破碎与结构运动相位耦合,导致了频率锁定振动. 海冰对结构作用产生的载荷为锯齿形,作用过程可以分为加载和卸载两个阶段,其中加载阶段时间长度约为卸载阶段3倍以上.在加载阶段,结构从平衡位置先与海冰运动方向相反振动到反向最大振幅位置后回摆,然后与海冰同向运动到正向最大振幅位置,这段过程中海冰与结构接触部位内部产生裂纹并扩展但未发生主要的破碎,在此阶段海冰发生韧性损伤;在卸载阶段,结构从最大振幅位置向平衡位置回摆,结构与海冰运动方向相反,这一过程中应变速率的突然增大导致裂纹加速扩展并失稳开裂,此时带有韧性损伤的海冰发生破碎.基于这一新的机理解释,本文提出了一种冰激结构频率锁定振动幅值的简单分析方法.该方法认为海冰破碎长度是频率锁定振动的关键参数. 理想状态下,海冰破碎长度约为结构水线处振动幅值的2.2倍.当冰速接近海冰破碎长度与结构自振周期的比值时,结构会发生频率锁定振动.该方法对评估海洋工程结构频率锁定振动的发生概率及疲劳损伤具有指导意义.