基于振动测试的张弦结构拉索索力识别

张弦结构的拉索索力识别对拉索甚至整个结构的性态鉴定和可靠性评估具有重要意义。针对张弦结构中拉索索力识别应用,选取了5种基于振动测试的解析方法——3种传统的索力实用计算公式和2种新发展的边界不确定的索力识别方法,比较分析了不同方法的优点和不足之处,探讨了索的边界条件、抗弯刚度和长细比的影响,确立了各种方法的适用范围和使用条件。分析结果表明:传统索力实用计算公式仅在边界条件比较明确(简支或固定)的情况下适用;当拉索的边界条件不确定时,宜采用Euler梁方法和Timohenko梁方法进行索力识别;当拉索的长细比20时,宜采用Timohenko梁方法;弦理论、Shimada方法和Zui方法必须采用局部模态;Euler梁方法和Timohenko梁方法既可采用局部模态,也可采用整体模态。     

索结构张力不确定度估计方法

根据弹性边界且考虑截面抗弯刚度的索振动频率方程推导了索力对其计算模型参数的灵敏度,得到了索力对各参数的不确定度估计公式。系杆拱桥和斜拉桥的索力对比测试验证了索力不确定度估计方法正确性。并开发了索力和索力不确定度计算软件     

基于挠度曲线振型函数的系杆拱桥柔性吊杆索力测量公式

通过引入两端固支、两端铰支等不同边界条件下,均布荷载作用下的挠度曲线作为系杆拱桥柔性吊杆在自由振动下的振型函数,运用瑞利能量法原理,推导出索力、抗弯刚度与吊杆固有频率间的关系式,并得出吊杆索力基于前2阶固有频率的测量公式。该公式将抗弯刚度作为隐式计算参数,回避了其难以识别的问题。以某系杆拱桥的监测实践为背景,通过与千斤顶张拉结果的对比分析,对吊杆的边界条件、计算长度进行识别,证明该公式更准确的考虑了抗弯刚度和边界条件的影响,可满足施工和运营期间吊杆张力的测试需要。     

基于动力直接刚度法分析轴向变刚度钢-混组合梁自振特性

推导了基于动力直接刚度法的钢-混组合梁自振特性有限元计算模型。模型中考虑了混凝土板和钢梁之间的剪切滑移效应,得到了6个自由度的单元动力刚度矩阵。给出了边界条件为一般弹性支撑时,钢-混组合梁自振特性的求解过程。由于该模型推导过程中没有引入近似位移场或力场,而且可以分析一般弹性支撑的沿轴向变刚度的钢-混组合梁,因此计算结果是准确的。最后,通过两孔简支钢-混组合梁的室内试验,对比理论分析、ANSYS FEA和试验测试结果,验证该有限元计算模型的正确性。然后以已发表的文章中的具有简支-简支、固支-自由、固支-简支和固支-固支等四种常见边界条件的简支的数值模型计算结果为参考,进一步验证计算模型的适用范围。结果表明:推导得到的动力直接刚度矩阵可应用于求解一般弹性边界条件下,沿轴向变刚度的钢-混组合梁的自振特性。     

张弦梁结构振动方法索力识别(Ⅰ): 振动特性的参数分析

以构造形式简单且应用广泛的张弦梁结构为研究对象,对大跨度索屋盖结构中索的索力识别方法进行了初步研究.首先通过分析张弦梁结构的受力特点,提出了张弦梁结构下弦边索段的振动分析模型,分析此模型得到边索段的自由振动方程隐式解答,该解答反映了索力与频率、抗弯刚度及边界条件等之间的相关关系.然后通过引入一组能够反映抗弯刚度及支承条件对结构振动特性影响的无量纲参数,并利用非线性数值计算,分析了抗弯刚度及支承条件对拉索结构自振特性的影响规律,得出若干有益结论.在以上工作基础上,提出了索力识别的初步模型,可为该种结构仅利用频率测试索力提供参考.     

基于能量法分析考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁自振特性

对于考虑剪力键纵向分布不均匀或梁体变截面的钢-混组合梁,为了分析其自振特性,基于Hamilton原理并利用分区变分法,建立了考虑相对滑移影响的钢-混组合梁运动控制微分方程。给出了简支-简支、固支-自由、固支-简支和固支-固支等四种常见边界条件下自振特性的计算方法。以两孔考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁为例,计算了其基频和一阶振型,并与ANSYS软件数值分析和实验测试结果进行了对比分析。结果表明,三者结果基本一致,说明该研究的方法可以用于分析考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁自振特性。     

基于频率法在斜拉索索力检测中的试验研究

本文给出了频率法测试斜拉索索力的试验原理,且分析了斜拉索的抗弯刚度、边界条件、测试系统分析精度、温度等因素对索力测试精度的影响,并进一步提出了提高测试精度的措施和注意事项。通过对万安大桥的索力测试分析表明,频率法测得的拉索索力满足工程要求。     

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%。     

索结构静力分析的新型拉索单元研究

总结和分析不同工况下索结构中拉索的受力特点, 将拉索行为归纳为已知原长和已知索力两种典型受力情况。利用悬链线拉索解析解的线性展开, 并引入适当的约束条件, 建立两种新型的拉索单元, 给出单元切线刚度矩阵的显式表达。提出索结构非线性静力分析的一般迭代算法, 算法中利用等效线自重考虑弹性变形对拉索静力状态的影响。以斜拉悬臂结构的多阶段安装为例, 分别采用该文方法和传统方法针对不同工况进行了索结构分析, 对比计算结果证明了该文新型单元和算法的效率和精度。     

考虑刚度及固支边界条件的实用索力求解方法与试验研究

建立了一个非齐次边界拉索力学模型,基于拉索线性振动理论,由考虑拉索抗弯刚度及固支边界条件下的拉索频率方程,根据双曲函数的数学特性对频率方程进行了合理简化,得到了实用的频率简化方程;根据频率简化方程的特点,提出了逆过程求解索力的方法和步骤;设计了室内拉索试验模型并进行了54种工况索力试验,比较了不同工况下的计算索力与实际索力,验证了提出的频率简化方程和逆过程求解方法的实用可靠性。     

考虑中间支撑的拉索等效索长计算方法

频率法测索力广泛应用于索结构的施工控制、状态评估和健康监测,减振器和阻尼器等中间支撑的存在会影响拉索的振动频率,从而降低频率法计算索力的精度。为寻求考虑中间支撑影响的索力计算方法,基于拉索振动微分方程和能量原理,构造了拉索等效索长的计算公式,通过该方法,目前提出的各种基于固结边界的索力实用公式均能适用。与有限元方法分析结果进行了比较,表明该方法具有良好的计算精度和适用范围。同时,由于拉索的等效索长计算公式简单,因而便于实际工程应用。     

斜拉索杠杆质量减振器理论及模型试验研究

为解决斜拉桥跨度增大带来的拉索振动问题,采用杠杆质量减振器(LMD)对斜拉索进行减振。介绍了LMD的构造特性及作用机理,建立了斜拉索-LMD系统振动方程,推导了LMD等效阻尼力模型及LMD与斜拉索各阶模态质量比,并对斜拉索前15阶模态对数衰减率进行了理论计算及模型试验研究。研究结果表明：LMD由于惯性项、刚度项及阻尼项的三重反馈作用,同时由于杠杆的调节放大作用,其减振效果优于相同安装高度的粘性剪切型阻尼器(VSD)。LMD对桥梁景观影响较小、安装维护方便,可为千米级的斜拉桥拉索减振提供更可靠的解决方案。     

基于逆磁致伸缩的索力传感器原理与影响因素研究

基于逆磁致伸缩效应,建立钢缆索索力传感器理论模型,分析了施加在缆索材料上的力信号(外力和应变)与磁信号(磁感应强度、磁场强度)之间的耦合关系.针对一种环式结构的索力传感器,对索力测量原理做了详细推导,可通过检测感应线圈的感应电压反映材料所受外力.传感器输出感应电压与空气间隙尺寸、外部激励磁场下的材料磁导率、激励磁场变化、加载外力变化等因素有关,重点分析了激励磁场变化和外力变化对传感器输出的影响.当外力是缓变力,可通过检测感应积分电压求得外力;当外力是交变力,直接通过感应电压求得外力;最后通过对磁场变化和外力变化影响分别进行了仿真,结果与理论分析基本一致,表明所建立的索力传感器理论模型可行.     

不同边界约束条件下某汽车白车身静刚度分析

边界理想约束条件下,汽车白车身静刚度试验测试系统复杂、成本高,而采用边界全约束条件测试时误差较大,不能满足精度要求。为解决上述问题,建立了某一边界约束条件下某汽车白车身静刚度仿真模型,并对白车身静刚度进行了数值分析,同时利用物理试验验证了该仿真模型的有效性。基于已验证的仿真模型,建立了12种不同边界约束条件下白车身静刚度仿真模型,并对比分析了不同边界约束条件下的白车身静刚度。结果表明,有1~2种边界过约束条件,可替代汽车白车身静刚度仿真分析及试验测试中的边界理想约束条件,其误差在-2%~2%范围以内,这既能降低试验测试费用,又满足了精度要求。研究结果具备较好的推广价值,可以为汽车开发人员提供参考。     

索网和膜结构的最小曲面分析

数学上,最小曲面指的是(在给定边界条件下的)面积最小曲面。而在索膜结构分析中,最小曲面指的是具有某种力学特征的能量最小曲面。推导了等应力膜索网分析模型的应变、应力关系,对索膜结构的能量最小曲面进行了分析。根据曲面的能量函数,论文分析比较了对应相同能量极值的两种曲面(等力密度曲面与等拉力曲面)的力学特性以及两种曲面存在时对应的不同边界条件。     

拉压刚度不同桁架的动力参变量变分原理和保辛算法

对于一些展开结构,为达到其设计性能,必须采用特殊的索、膜结构,这些索、膜部件表现出不同的拉压性质。具有拉、压不同性质的材料或结构的力学分析,体现出较强的非线性特征,需要针对这类问题发展有效的求解算法。本文建立了由拉压刚度不同杆单元组成的桁架结构的动力学参变量变分原理,将拉压刚度不同桁架问题的非线性动力分析转换为线性互补问题求解。结合时间有限元方法构造了求解此问题的保辛数值积分方法,此方法不需要迭代和刚度矩阵更新,避免了迭代求解方法的收敛问题,计算过程稳定、高效。     

Derivation of a new stiffness matrix for helically armoured cables considering tension and torsion

A new element stiffness matrix is derived for straight cable elements subjected to tension and torsion. The cross-section of a cable, which may consist of many different structural components, is treated in the following as a single composite element. The derivation is quite general; consequently, the results can be used for a broad category of cable configurations. Individual helical armourning wires, for instance, may have unique geometric and material properties. In addition, no limit is placed on the number of wire layers. Furthermore, compressibility of the central core element can also be considered. The equations of equilibrium are first derived to include ‘internal’ geometric non-linearties produced by large deformations (axial elongation and rotatioin) of a straight cable element. These equations are then linearized in a consistent manner to give a liner stiffness matrix. Linear elasticity is assumed throughout. Excellent agreement with experimental results for two different cables validates the correctness of the analysis.     

低扭转刚度悬索桥扭转发散特征及抗风对策

柔性悬索桥容易出现气动失稳现象。悬索桥的静风失稳特性已经被国内外较广泛地研究过，这类结构的静风失稳表现为加劲梁突然增大的、沿桥跨方向对称分布的扭转变形。伴随该类扭转发散的另一现象是主缆卸载至空缆悬挂状态。当加劲梁扭转刚度极低时，中小跨度人马吊桥扭转发散形式与传统公路悬索桥扭转发散形式有实质性的不同，表现为非对称分布的单拐点或多拐点扭转锁定，扭转锁定后两主缆张力并不卸载反而出现急剧张紧的现象。采用数值方法研究了抗风措施，结果表明增加主梁扭转刚度不仅能实质性地提高扭转发散临界风速，而且可以将发散形式从反对称扭转锁定转变为传统的对称扭转模式。对反拉抗风缆截面积、张力、安装角度以及矢跨比的抗风效果进行了参数化的分析，结果表明反拉抗风缆的最佳安装角度在15°~45°，其抗风效果随着截面积、张力以及矢高的增加而增加。综合材料用量与抗风效果等因素，建议抗风缆面积为主缆面积1/3，反拉张力为恒载效应的1/4，地形允许的情况下尽量增加矢跨比。