斜拉桥拉索在轴向窄带随机激励下的振动响应

导出了拉索在考虑垂度以及索张力沿索长变化时的参激随机微分方程,进一步给出了预测拉索在窄带随机激励下响应的近似理论解------用统计矩截断法求解矩方程,获得高斯闭合解和一阶非高斯闭合解. 以南京长江二桥约330米长的A20拉索为研究对象,对以上高斯闭合解和一阶非高斯闭合解进一步进行数值求解以获得拉索的响应,并采用Monte-Carlo数值方法对求解进行验证. 分析了拉索振动的一般特征,特别分析了激励中心频率和拉索频率比为1和2时的响应随激励带宽的变化特征,得到了一些新的结论.      

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。     

予应力钢桁架刚度反演分析的摄动迭代法

基于文（１）所建立的拉索式予应力钢桁架基本计算,根据矩阵摄动原理进一步给出了以竖向为位移为约束反演确定任意布索张拉予应力钢桁架单元刚度和的索刚度的摄动迭代公式。算例表明,该方法具有较高的精度,可满足工程设计需要。     

拉索穹顶结构非线性分析的混合有限元增量法

拉索穹顶结构是由受压桅杆和拉索组成的新型柔性大跨度空间组合结构,几何上表现为极强的非线性特性,计算困难,本文应用有限元法,结合拉索穹顶结构特征,假定拉索和桅杆的受力满足虎克宣定律,建立了可以直接考虑拉索垂度影响的两节点索单元模型,并与两节点直杆单元相结合,基于修正的拉格朗日描述方法和虚功原理建立了拉索穹顶结构非线性分析的混合有限元增量方程。采用荷载增量法与Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法相结合的求解     

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。     

考虑弯曲刚度斜拉索面内面外内共振分析

本文研究桥梁工程中含弯曲刚度斜拉索的面内面外内共振问题．描述了工程中斜拉索变形的三种状态,考虑弯曲刚度、大变形及垂度等因素,忽略斜拉索纵向惯性力的影响,运用Hamilton变分原理建立了含弯曲刚度的斜拉索面内面外耦合偏微分控制方程,采用Galerkin方法对偏微分方程离散,并运用多尺度摄动方法进行了求解,获得了斜拉索可能存在的内共振模式,以工程中一根斜拉索为例,运用有限元法对其进行动力特性分析,列出了斜拉索前10阶面内面外振动频率,找出面内面外可能产生内共振的模态,分别研究了主共振条件下斜拉索面内和面外1:1、2:1内共振情形,获得了有意义的结论．     

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．     

一种电力架空线垂度的简算方法

以输配电工程中带有绝缘子的电力架空线为研究对象, 简化绝缘子的力学模型, 采用纵横弯 曲理论推导了钢芯铝铰线的挠度方程, 计算了在自重和温度载荷共同作用下的架空线垂度和 水平张力. 计算结果表明, 文中算法简单有效, 架空线跨距和温度等是架空线垂度的主要 影响因素. 架空线垂度对温度的平均变率为2.55mm/$^{\circ}$C; 当跨距减 小1%时, 垂度增加近60%.     

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。     

解析索单元的温度效应修正

已有的解析索单元理论在考虑温度效应时,采用先计算出给定温度下无应力长度,再以此为参考状态进行静力计算的方法,因而温度应变和静力应变基于不同的参考状态. 在Irvine 的推导基础上计入温度效应,得到了基于无应变状态的解析索单元. 算例表明该修正的合理性.     

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.     

双缆悬索桥空缆状态主缆抗滑安全性研究

为指导双缆悬索桥上下缆垂跨比的取值，明确双缆悬索桥施工阶段主缆抗滑稳定性，提出一种主缆在施工阶段空缆状态下的抗滑安全系数计算方法。基于上缆变下缆的主缆布置方式，通过双缆悬索桥成桥状态反推空缆状态主缆垂度，根据空缆状态下主缆线形为悬链线计算中塔塔顶鞍座处缆力及包角，并据此计算空缆状态抗滑安全系数。建立多塔悬索桥有限元模型对提出的公式进行验证，分析成桥状态上下缆垂跨比和桥梁跨度的取值对空缆到成桥状态主缆垂度变化以及抗滑安全系数的影响。结果表明，采用本文公式计算的双缆悬索桥空缆状态下抗滑安全系数精度较高；上下缆垂跨比对空缆状态主缆抗滑安全性影响较大，抗滑安全系数随着上下缆垂跨比差值的增大迅速减小；空缆状态主缆抗滑安全系数受跨度影响不大，其随跨度增大略有提高。在实际的双缆悬索桥初步设计过程中应考虑施工阶段主缆抗滑稳定性，选择适宜的上下缆垂跨比，采取措施提高施工阶段主缆抗滑安全性。     

损伤拉索的等效弹性模量及其参数分析

损伤拉索会出现线形松弛、应力水平降低的情况,必然会影响拉索的等效弹性模量。本文首先引入损伤程度、位置及范围3个参数,用以描述拉索损伤形态的特征,建立损伤拉索索力和线形计算公式,采用数值方法计算了损伤拉索弦向等效弹性模量精确数值,并和经典的等效弹性模量公式的计算结果进行了比较分析,分析了考虑损伤时两种不同计算方法结果的误差。计算表明,对于500m弦向长度以内的损伤拉索,拉索的弦向长度Lc越大,倾角越小,等效弹性模量的损失越大,并且应用割线模量公式计算的误差也越大,当Lc=500m时,损伤拉索相对误差值在2.5%~4.5%之间。弦向应变越小,等效弹性模量损失越大,弦向应变在[0.001,0.004]内,应用割线模量公式计算的相对误差小于3.5%。损伤程度及损伤范围对引用等效弹性模量公式的误差影响较大,倾角对等效弹模公式相对误差的影响也不容忽视。弦向长度、弦向应变、倾角和损伤程度参数都是通过改变拉索的松弛程度进而影响等效弹性模量的数值以及公式的误差。     

Static and dynamic response of elastic suspended cables with thermal effects

Cable structures are often subjected to severe and variable environmental conditions, and their mechanical behavior is known to be particularly sensitive to different ambient factors. The paper analyzes temperature effects on the static and dynamic response of suspended inclined cables through a continuous monodimensional model including geometric nonlinearities. Uniform temperature changes are introduced through a non-homogeneous constitutive law for the material linear elasticity. Exact and approximate solutions of the equations governing the cable static equilibrium under self-weight are achieved, and the significance of the temperature-dependent variation of tension and sag are parametrically investigated. The spectral properties characterizing the free dynamics are obtained in a closed-form fashion for shallow parabolic cables within the low frequency vibration range. The sensitivity of the linear frequencies to temperature changes is discussed, outlining two thermal effects, which are distinguished by their different origins, geometric or static. For a generic temperature change, the geometric effect produces a systematic increment or reduction of all the frequencies, for both symmetric and anti-symmetric modes. The static effect stiffens or softens only the symmetric modes, and may prevail over the competing geometric effect, depending on the cable Irvine parameter. Finally, the thermal effects on the frequency veering and modal hybridization phenomena, which characterize quasi-resonant shallow cubic cables, are analyzed.     

Non-linear behavior of heavy stays

The behavior of cable structures, widely employed in several engineering fields, is highly non-linear. A common procedure to treat the cables is to substitute them with straight rods assuring an equivalent stiffness. But classical methods allow to determine satisfactorily the equivalent stiffness only when the cable is sensibly stretched, the cable sag is small and the cable is horizontal, since they generally disregard the effects of the self-weight component along the chord. To study non-linear behavior of inclined cables, we extend here a rational criterion stemming from the virtual work principle, formerly proposed for horizontal cables.     

温度变化对端部激励斜拉索共振响应影响

基于增量热场理论,利用Hamilton变分原理,通过引入与张拉力和垂度相关的无量纲参数,建立了考虑温度变化影响下斜拉索非线性动力学模型,并推导其面内/外非线性运动微分方程。考虑斜拉索受端部激励,利用Galerkin法得到离散后的无穷维常微分方程组。面内和面外运动各取前两阶模态,向前和向后扫频,利用龙格-库塔法数值积分求解常微分方程组,得到共振区域的幅频响应曲线。算例分析表明,温度变化和斜拉索固有频率呈反比例关系;温度变化会导致斜拉索共振特性发生定性和定量的改变,如共振区间发生漂移、跳跃点位置发生移动、共振响应幅值发生改变;端部位移激励下,温度变化有可能导致斜拉索更多模态受到激发,从而影响各阶模态的能量以及模态间的能量传递。     

Parameters for Modeling Stranded Cables as Structural Beams

This paper presents a method for determining the effective homogenous beam parameters for stranded cables made up of non-homogenous wires, as well as characterization of the attachment method commonly used for cable harnesses on space structures. There is not yet a predictive model for quantifying the structural impact of cable harnesses on space flight structures, and towards this goal, the authors aim to predict cable resonance behavior from basic cable measurements. Cables can be modeled as shear beams, but the shear beam model assumes a homogenous, isotropic material, which a stranded cable is not. Thus, the cable-beam model requires both knowledge of the cable constraints and calculation of effectively homogenous properties, including density, area, bending stiffness, and modulus of rigidity to predict the natural frequencies of the cable. Through a combination of measurement and correction factors, upper and lower bounds for effective cable properties and attachment stiffness are calculated and shown to be effective in a cable-beam model for natural frequency prediction. Although the cables investigated are spaceflight cables, the method can be applied to any stranded cable for which the constituent material properties can be determined.