基础激励下桥梁斜拉索的非线性振动

作者:付英 刊名:动力学与控制学报 上传者:郝晓锋

【摘要】在考虑拉索垂度的情况下建立了深圳湾公路大桥的动力学模型,利用有限元软件模拟了地震、风、车辆等荷载作用于桥梁结构时桥面及桥塔索锚固点的位移响应,以及全桥整体动力特性和索连接点的振动解,从而真实反映出基础激励对索的初始扰动,进而研究索在最不利荷载作用情况下谐波共振和参数振动的特性,并在此基础上分析了激励频率与拉索固有频率比的匹配关系,得出了激励幅值、初始索力、模态阻尼比、拉索倾角等参数对拉索非线性振动的影响.

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第 8卷第 1期 2010年 3月 167226553 /2010 /08⑴/05725 动 力 学 与 控 制 学 报 JOURNAL OF DYNAM ICS AND CONTROL Vol. 8 No. 1 Mar. 2010 200910226收到第 1稿 , 200912201收到修改稿. 基础激励下桥梁斜拉索的非线性振动3付英 (哈尔滨工业大学深圳研究生院 ,深圳  518055) 摘要  在考虑拉索垂度的情况下建立了深圳湾公路大桥的动力学模型 ,利用有限元软件模拟了地震、风、车辆等荷载作用于桥梁结构时桥面及桥塔索锚固点的位移响应 ,以及全桥整体动力特性和索连接点的振动解 ,从而真实反映出基础激励对索的初始扰动 ,进而研究索在最不利荷载作用情况下谐波共振和参数振动的特性 ,并在此基础上分析了激励频率与拉索固有频率比的匹配关系 ,得出了激励幅值、初始索力、模态阻尼比、拉索倾角等参数对拉索非线性振动的影响. 关键词  基础激励 ,  斜拉索 ,  谐波共振 ,  参数振动 引 言 斜拉索在斜拉桥中是作为主要的承重结构来使用的 ,由梁体锚固段、索体自由段、塔上锚固段三部分组成. 斜拉索具有柔度大、质量小及阻尼小等特点 ,其非线性特征非常明显 ,对于较长的斜拉索 , 由于其自身的动力特性 ,更易在外部激励下产生大幅振动 ,影响桥梁结构的使用及安全. 当斜拉桥在各种荷载作用下发生振动时 ,将会通过连接处即桥面和桥塔支撑点的运动使拉索产生相应的振动 ,因而桥面和桥塔的振动为拉索施加了运动的边界条件 ,带来一定的基础激励 [125 ]. 为研究斜拉索在基础激励下的振动特性 ,本文以深圳湾公路大桥为例 ,运用有限元软件 ANSYS建立该桥的力学模型 ,通过模拟桥梁上最长拉索锚固点在风、地震、车辆等荷载作用下的位移响应 ,及全桥整体动力特性和索连接点的振动解 ,更加真实地研究基础激励对斜拉索的初始扰动 ,进而分析拉索在梁端和塔端同时作用下的振动特性及影响因素. 1 深圳湾公路大桥简介及荷载模拟 深圳湾公路大桥 (深港西部通道 )是连接香港和深圳的一座桥梁 ,通航孔桥采用墩、塔、梁固结 , 为变截面独塔单索面钢箱梁斜拉桥 ,主跨跨径为180m,跨径组合为 (180 +90 +75)m,全长 345m. 该桥桥面以上索塔高 115. 874m,桥面全宽 37. 6m,索 塔呈中心线仰角 80°倾斜. 桥塔外形轮廓尺寸由塔底 11m (纵向 ) ×6m (横向 ) ,渐变至塔顶 6m (纵向 ) × 4m (横向 ) ,全桥共 24根斜拉索 ,边跨与中跨的斜拉索呈不对称分布 ,斜拉索在主跨加劲梁上标准间距为 12m,在边跨辅助墩附近集中布置 ,索间距为 3m. 深圳湾公路大桥的有限元模型见图 1. 图 1 深圳湾公路大桥有限元模型 Fig. 1 Finite element model for Shenzhen Bay bridge 由于斜拉索的非线性特性 ,较长的斜拉索在受到桥面和桥塔的振动时容易产生较大的振幅 ,故在此选取深圳湾公路大桥中最长的斜拉索进行振动分析. 拉索不仅在桥面及桥塔振动频率与其固有频率比为 1时产生共振 ,而且在频率比约为 2时也将产生大幅度振动 ,即拉索的参数振动. 当系统的固有频率接近激励频率时发生的共振称为谐波共振. 当系统参数按照一定规律变化时 ,任意微小的扰动使系统产生的大幅振动称为参数振动 ,即由振动系统随时间变化的参数 (刚度、阻尼或质量 )激发的振动 ,它本质上是一种非线性振动. 动  力  学  与  控  制  学

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