大跨人行悬索桥非线性静风稳定性分析

基于风洞试验所测加劲梁静力三分力系数,在综合考虑静风荷载非线性、结构几何非线性基础上,采用双重迭代计算分析方法对主跨420 m大跨窄人行悬索桥进行静风稳定性全过程分析。结果表明,结构变形随风速变化呈明显非线性,静风失稳形态弯曲扭转空间耦合变形特征显著;较公路桥大跨人行悬索桥主缆提供的扭转刚度比重更大,跟踪两主缆跨中应力随风速变化情况可定义静风失稳临界风速及与分析静风失稳原因;非零初始风攻角会降低静风失稳临界风速;中央扣及抗风缆均能提高静风失稳临界风速。施加中央扣措施,失稳形态为主梁结构弯扭失稳;施加抗风缆措施,失稳形态为抗风拉索、抗风缆应力松弛导致局部结构失稳。该研究可为大跨窄桥静风稳定性能及提高静风稳定性提供科学依据及参考。     

紊流中大跨桥梁的扭转发散特性

大跨度缆索承重桥梁的静风失稳,特别是导致桥梁突然破坏的扭转发散是桥梁工程师在设计阶段十分关注的问题,静风稳定性分析的传统方法是考虑均匀流静风荷载,采用静力有限元迭代法来求解。然而,自然界大气边界层中的气流总是紊流而非均匀流,而紊流对扭转发散的影响却需要深入的研究。为考虑紊流的影响,该文采用动力有限元方法在时域范围内分析桥梁的静风稳定性,并提出相应的风荷载表达式。应用该文提出的方法对目前国内最大跨度桥梁的静风稳定性进行了分析。数值分析结果表明:桥梁的扭转发散特性在均匀流与紊流场下的差异很大。这种差异主要表现在结构的发散形式不一样,在均匀流中加劲梁扭转发散表现为突变扭转位移而在紊流场中则表现为有巨大扭转峰值的随机振动;此外,扭转发散的临界风速也有所差异,紊流明显地降低了扭转发散临界风速。参数分析表明:紊流强度与脉动风场空间相关性也对桥梁的静风稳定性能有着重要的影响。     

大跨度缆索承重桥梁非线性静风扭转失稳机理的研究

建立了静风荷载作用下大跨度缆索承重桥梁的非线性扭转失稳模型,导出了求解平衡路径的非线性方程。对于静风扭转平衡路径的稳定性进行了全过程的理论分析。分析了升力矩系数和扭转刚度的非线性特性对于稳定条件、失稳点以及失稳机理的影响。静风扭转失稳的性质为跳跃式极值失稳。发生失稳的条件取决于升力矩系数和扭转刚度的曲线形状。只有当升力矩系数曲线有上凹段或扭转刚度曲线有下凹段存在时,扭转失稳才有可能发生。对于升力矩系数曲线不存在上凹段和扭转刚度曲线不存在下凹段时,平衡路径是稳定的,不会发生静风扭转失稳。扭转刚度的弱化是引起静风扭转失稳的因素之一。升力矩系数的非线性特性将引起等效刚度弱化,也是引起静风扭转失稳的因素之一。当初始攻角较大时,这种等效刚度弱化效应尤其应该给予重视。提出了新的失稳临界风速公式。公式统一,包含了非线性失稳及线性理论的结果;公式简洁,形式上与线性理论的公式相同。对于线性扭转刚度或线性升力矩系数的情形,临界点的物理意义明确、便于图解。新的临界风速公式还反映了初始攻角的影响。初始攻角增大,临界风速减小。     

2×1500m双主跨斜拉桥静风失稳机理研究

静风稳定性是千米级超大跨斜拉桥抗风性能的主要考验之一。以某主跨2×1 500 m三塔两跨斜拉桥结构体系为研究对象,采用全桥气弹模型风洞试验与数值计算相结合的方法,对失稳过程结构位移响应和与之同步的拉索索力进行跟踪,从失稳过程结构刚度演变特性方面深入揭示了该结构体系静风失稳机理。风洞试验发现,结构在+3°和0°初始风攻角下出现了明显的静风失稳前兆,静风失稳先于颤振失稳发生。基于增量与内外两重迭代相结合的非线性静风稳定分析方法,研究了结构失稳过程结构位移响应演变特性,并与风洞试验结果进行了对比,表明二者具有较好的吻合性。-3°初始攻角下的静风失稳临界风速远高于+3°和0°初始攻角。为了揭示上述现象发生的内在机理,提取与结构位移同步的拉索索力,阐述了失稳过程结构刚度与结构响应之间的同步演变关系,研究表明:结构静风稳定性取决于失稳过程结构刚度演变特性,而后者与结构响应密切相关。-3°初始攻角下主梁整体向下的竖向位移强化了拉索、主梁和桥塔形成的稳定三角关系,这是该初始攻角下静风稳定性远优于+3°和0°初始攻角的最根本原因。-3°初始攻角时,结构失稳形态表现为明显的主梁一阶正对称扭转与主梁一阶反对称扭转耦合振型失稳,与单主跨斜拉桥明显不同。研究首次在风洞试验中再现了双主跨大跨度斜拉桥静风失稳现象,并揭示了大跨度斜拉桥静风失稳内在机理,对今后我国超大跨径斜拉桥的抗风设计具有借鉴意义。     

多分裂导线扭矩-扭转角关系及防翻转研究

提出一种新的多分裂导线扭矩-扭转角关系半解析模型，适用于大档距大扭转角以及翻转计算。该模型考虑间隔棒的竖向及水平向位移、子导线在扭转过程中的张力变化等多重因素，同时考虑分裂导线各截面的扭转角沿跨长呈非线性分布的特征。计算结果与有限元方法、试验结果进行了对比验证，表明导线的几何非线性对导线回复扭矩的影响十分显著，该文提出的半解析模型在小角度和大角度扭转情况下均具有较高的计算精度，并为判定导线是否翻转提供依据。详细分析了布置不同间隔棒数量工况下的扭矩-扭转角关系，从而考察了增加间隔棒数量对抑制翻转的有效性，发现只需少量增加间隔棒就能保证即使扭转角达到180°时扭转刚度依然为正，即可自行恢复，有效预防翻转；对于扭矩非常大的情形，若要保证扭转360°时扭转刚度依然为正，即导线出现扭绞现象后仍具备自行回复原位的能力，则需要布置较多的间隔棒。     

Π型叠合梁斜拉桥建造全周期静风失稳模式及机理研究

为了研究低抗扭转刚度斜拉桥建造全周期的静风稳定特征，采用风洞试验获得施工、运营阶段±10°风攻角区间主梁静风三分力系数，结合有限元数值模拟方法，采用内、外双层迭代算法同时计入斜拉桥几何非线性和风荷载非线性，对主跨跨径为480 m的Π型钢混叠合梁斜拉桥进行了建造全周期非线性静风响应分析。追踪该桥各典型施工阶段主梁变位和拉索索力随风速的变化，以揭示低抗扭刚度斜拉桥建造运营全过程中的静风失稳模式及失稳机理。分析结果表明：随施工阶段发展，静风失稳模式多次变化；各工况下的静风失稳均是三向变位的复杂耦合行为，本桥扭转和竖向变位交替占主导地位；最大单悬臂阶段为各施工阶段中最不利的一个工况，其失稳风速仅为72 m/s且结构响应较大。扭转为主导的失稳是由于拉索系统的应力降低而引起的结构破坏，而竖向变位为主的失稳是由结构较大变位引起的整体刚度的丧失导致的。静风失稳的内在机理是结构在风载下的附加风攻角反作用于风荷载使升力和升力矩迅速变化，同时结构的非线性变形导致拉索系统应力降低和结构刚度降低使结构破坏。     

大跨径悬索桥施工期暂态主缆驰振控制

基于预应力索结构的静动力和瞬态分析,对东海某大跨径悬索桥施工期暂态主缆的辅助索制振参数进行了研究,同时研究了用辅助索控制暂态主缆驰振失稳的具体方案,采用了考虑几何非线性影响的有限元数值分析研究方法,总结了驰振及辅助索制振的研究现状,建立了该悬索桥施工期暂态主缆-猫道系统的有限元模型,研究了辅助索位置、布置方式和刚度大小对暂态主缆1阶竖向振动频率的影响;研究了辅助索阻尼、刚度和个数对暂态主缆面内等效阻尼比的影响;最后研究了辅助索控制暂态主缆驰振的具体方案。结果表明:为了提高暂态主缆1阶竖向振动频率,辅助索应该对称竖向布置,且增大辅助索的数目特别是跨中设置辅助索可以较大幅度地提高该频率值;增加辅助索的直径和个数可以较大地增加对暂态主缆的面内制振效果;在该悬索桥中跨12分点处对称竖向布置每组由1根直径为10mm的钢筋组成的11组辅助索时即可控制暂态主缆的驰振失稳。     

台湾后龙溪桥风洞试验研究与静风响应分析

摘 要：通过风洞试验研究了台湾后龙溪桥气动稳定性;获得了混凝土梁和钢梁两种断面发生涡振的条件、涡振锁定风速范围及涡振振幅;对自然界和风洞中的风轴和体轴异同进行了区分;实测了两种断面的静气动力系数;最后进行了非线性静风荷载响应分析。研究结果表明：实桥风速达到135m/s,不会发生气动失稳;钢梁和混凝土梁断面+3°攻角时在均匀流场中会发生竖向和扭转涡振,扭转涡振风速锁定风速很高,而且范围很宽;在紊流度约为10％风场中,攻角在-3°～+3°范围内,未观测到明显涡振;由静风荷载引起的主梁附加攻角很小,风荷载非线性对主梁扭转位移和侧向位移影响很小,而对竖向位移影响相对较大,原因是竖向风荷载引起主缆刚度改变。     

AZ31镁合金棒材循环扭转变形及其对力学性能的影响

在室温条件下,对AZ31镁合金挤压棒材进行循环扭转变形,测试了扭转变形过程的力学性能以及变形后的微观组织和织构特征,并对扭转变形对镁合金棒材的力学性能影响进行了分析。结果表明:镁合金棒材在循环扭转过程中得到了严格对称的应力-应变滞回线,并且随着循环周期的增加,由于加工硬化和内部微裂纹扩展的共同影响,应力-应变滞回线上的应力峰值呈现先增加后减小的特征。在最大扭转角分别为60°和90°条件下,应力峰值出现在第四周期。镁合金棒材扭转变形后的晶粒中出现大量的拉伸孪晶带,孪晶启动使晶粒的 C 轴转向棒材轴线方向。镁合金棒材扭转变形后的力学性能测试结果显示,循环扭转变形明显提高了镁合金棒材压缩变形的屈服强度,其值由扭转前的约100MPa最大提高至约200MPa。     

考虑扭转耦合的土-结构动力响应的一种简化分析法

提出了一个利用模态分解和傅里叶变换求解不对称结构扭转耦合动力响应的土-结构相互作用分析的实用简化方法，从而不仅使矩阵计算大大简化，计算结果具有较高准确性。数值参数分析表明当地基土为软土，尤其是地基土剪切波波速低于1000m／s时，基础水平位移和摇摆幅度分别随结构质量与基础质量之比和结构高度与回转半径之比的增加而显著增大。对于地基土不是硬土，而且具有一定的高度和刚度偏心距的结构，必须考虑扭转耦合的土一结构动力相互作用的影响。     

大跨度钢桁梁铁路斜拉桥刚度参数敏感性分析

针对某大跨度钢桁梁铁路斜拉桥方案,采用变化结构刚度方法研究梁、索、辅助墩等构件刚度对桥梁结构及行车性能影响。结果表明,增大桁宽能显著增加桥梁横向抗弯刚度,但对车辆走行性影响有限;增加桁高或斜拉索面积能显著提高桥梁竖向基频、降低车桥竖向响应;桥面系对桥梁结构整体刚度贡献不大,对车辆响应影响有限;设置辅助墩可提高斜拉桥竖向刚度、降低车辆竖向加速度及梁端竖向折角等。     

拉索局部振动对斜拉桥地震响应的影响研究

拉索作为大跨度斜拉桥的主要承重构件,横向刚度较小,在地震荷载作用下容易发生索-梁和索-塔耦合振动,对斜拉桥的能量分布和阻尼特性产生较大影响,在斜拉桥地震响应计算中有必要考虑拉索的局部振动影响。根据子结构原理和自由度凝聚的方法,在斜拉桥动力特性和地震响应分析中可以考虑拉索的局部振动,并编制了三维有限元程序,对拉索局部振动的影响进行了研究。结果表明,考虑拉索局部振动时,斜拉桥纵向振型的参与系数有不同程度的减小,主梁和桥塔的加速度、位移、弯矩和轴力增大非常显著,短索的纵向位移减小,而长索的纵向位移增大,拉索脉动张力显著增大,拉索位移和张力时程出现拉索局部振动干扰的现象。     

强震作用下独塔斜拉桥拉索松弛现象研究

为考虑地震作用下斜拉桥拉索的垂度效应,常规方法是将拉索模拟为弹性单元,根据恒载索力修正单元材料的弹性模量;但该方法忽略了索力变化对拉索轴向刚度的影响,也未考虑强震中可能出现的拉索松弛现象。该文先给出了三种不同的拉索应力-应变方程,然后以一座独塔斜拉桥为背景,通过赋予拉索不同的应力-应变关系建立了三个非线性有限元模型,研究了强震作用下拉索的地震响应和拉索松弛现象。结果表明:在近场地震作用下,拉索索力变化幅度较大,部分拉索有可能出现松弛现象;拉索松弛后,出现松弛的拉索最小索力不再减小,最大索力继续增加;对于整个结构而言,拉索松弛只是局部响应的变化,对梁体位移和塔柱受力等地震响应的影响有限;但地震中不考虑索力变化对拉索轴向刚度的影响可能低估结构的地震响应,最大偏差可达到20%。     

Integrated high-performance thousand-metre scale cable-stayed bridge with hybrid FRP cables

To overcome the limitations of conventional steel stay cables in a thousand-meter scale cable-stayed bridge, hybrid basalt and carbon (B/C) FRP cables were investigated to achieve integrated high performances in the bridge of this scale as a replacement for steel cables. First, the material properties of different cables were discussed, and static and dynamic analyses on the entire bridges with different cables were conducted by means of finite element method. Moreover, the aerodynamic stability of different cables was studied in terms of the Scruton number. Results show that (1) hybrid B/CFRP with a 28% volume proportion of carbon fibres exhibits relatively high stiffness, economical cost, a small sag effect and sufficient fatigue resistance, which was proven suitable for stay cables; (2) based on the stiffness principle, the cable-stayed bridge with hybrid B/CFRP cables exhibits linear L–D behaviour and higher stiffness compared to the bridge with steel cables under the static load, and this advantage would become more apparent with the elongation of span; (3) the hybrid B/CFRP cable processes much higher natural frequencies than steel cables, which could lower the possibility of resonance between stay cables and the bridge deck. Furthermore, the aerodynamic stability of hybrid B/CFRP cables is superior to other cables due to its designable inherent damping.     

拉索-双弹簧系统的自由振动特性分析

辅助索减振措施是常见的拉索减振方法之一,但拉索-辅助索的减振机理尚不清楚,优化设计方法尚未建立。该文将辅助索对拉索的刚度贡献简化为弹簧对拉索的支撑作用,进行了附加两根弹簧的拉索自由振动特性分析。由位移的连续条件和力的平衡条件建立了拉索-双弹簧系统的频率方程;由一阶泰勒展开得到了当弹簧安装位置靠近拉索锚固端时频率方程的近似解。以弹簧刚度为零时对应的拉索自由振动频率和弹簧刚度趋向于极限时拉索振动频率极限值为基础,讨论分析了不同安装位置和不同弹簧刚度下拉索低阶振动模态的特点,得到了其振动模态分布随弹簧安装位置和刚度变化的内在规律;研究结果可供辅助索减振优化设计参考。     

苏通大桥静风响应分析

给出了大跨度缆索承重桥梁静风响应的分析步骤;全面研究了苏通大桥在静风作用下,桩基础刚度、拉索分段、风速剖面、主梁初始攻角和附加攻角等对主梁和桥塔静风位移、静风失稳风速及结构振动频率的影响,并与风洞试验结果进行对比分析。结果表明:静风位移计算值低于风洞试验实测值,雷诺数是其主要原因;如果不考虑桩基础刚度影响,结构侧向位移响应会被严重低估;斜拉索横向风荷载在总体风荷载中所占比例超过40%;不考虑主梁附加攻角会高估静风失稳风速约20%;静风作用下一阶对称竖弯、侧弯和扭转模态频率计算结果与全桥气弹模型风洞试验结果特点相似。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响分析

采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。现有拉索阻尼器设计理论均假定索的两端为固结;然而,随着斜拉桥跨度的增大,桥梁结构整体刚度下降,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响成为大跨度斜拉桥拉索减振设计需要考虑的问题。该文建立了索、梁和阻尼器组合系统的简化理论模型,并对其进行了复模态分析。以跨径分别为400m、650m和1km的3座斜拉桥主跨最长索为算例,分析了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响,指出了现有阻尼器设计理论的不足。分析结果表明:主梁振动降低了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,必须考虑主梁参与振动的影响。     

低张力缆索有限元模型及其应用

为准确计算缆索在低张力时的运动状态,该文考虑缆索低张力状态时的拉伸刚度、弯曲刚度和扭转刚度,建立了一种适用于低张力缆索的三维有限元模型。首先基于细长杆理论推导了缆索的动力学微分方程,接着以三次样条曲线为试函数,运用Galerkin加权残值法导出了单元刚度矩阵,最后对其进行组合建立了缆索的整体矩阵方程,并采用Matlab编写了求解程序。将其应用于实例中,所得结果与实验结果相一致。研究成果为拖曳缆、系泊缆、潜行器脐带缆等海洋缆索的运动分析与设计提供了理论依据。     

基于频率法的拉索及吊杆张力测试

拉索及吊杆张力测试结果的正确与否直接关系到桥梁状态的合理确定。基于两端固结梁在轴向拉力作用下横向振动方程,在找出解的规律之后,拟合出轴向拉力与梁的抗弯刚度、长度、线密度及振动频率之间的数值关系,并由此得出适用于拉索和吊杆张力测试计算公式,结果表明该公式具有良好的精度和适用范围。讨论了基于简支梁和弦模型得到的张力测试公式的适用范围,分析表明传统的索力测试公式仅适用于索长细比L/D不小于600时的情形,而本文公式即使L/D小于70亦能给出误差不超过2%的结果。