斜拉索-辅助索系统动力特性和减振研究ppt1.ppt

斜拉索-辅助索系统动力特性和减震研究,报告人：陈柳花2010年05月11号,本文主要工作内容,斜拉索减震的研究背景,斜拉桥的发展史 斜拉桥是300米 1000米跨度的主要桥型。由于斜拉桥是一种自锚体系，具有不需要昂贵的地锚，整体刚度和抗风性能好等特点，再加上其跨越能力大、可悬臂施工、造价低和外形美观等特点，很快在欧洲、北美、日本和中国等世界各地迅速流行。随着材料性能的不断改善和设计施工技术的不断突破，斜拉桥跨度的纪录也在不断的被打破。我国的苏通长江公路大桥的主跨已达1088米，是世界最大跨度斜拉桥。,斜拉索减震的研究背景,斜拉索的振动问题 随着斜拉桥跨度的不断增大，斜拉索变得越来越长。作为斜拉桥主要承重构件的斜拉索，其柔性大、内阻尼低、固有频率分布广，极易在风、风雨和支承端的梁塔位移作用下发生振动。斜拉索的主要振动类型可分为两类:一类为风或风雨共同作用引起的斜拉索振动，另一类为斜拉索支承端在梁塔位移作用下发生的振动。,斜拉索减震的研究背景,斜拉索的减震措施 （1）气动减振措施 气动减振措施通过改变斜拉索的外形来破坏斜拉索表面水线的形成，并阻止旋涡的规则脱落，对风雨激振和涡激共振都十分有效。,斜拉索减震的研究背景,（2）索端阻尼器减振措施 索端阻尼器减振措施是在斜拉索的梁端安装或梁端和塔端同时安装阻尼器来增加斜拉索振动的模态阻尼。,斜拉索减震的研究背景,（3）辅助索减振措施 辅助索减振措施是用被称为辅助索的索构件将斜拉索横向连接起来，形成一个新的索网结构体系。,索网动力特性分析,索网结构的动力特性分析包括索网结构的模态频率、振型和阻尼分析索网结构的模态频率和振型特性是索网结构动力特性分析的最基本方面，运用有限单元法对索网结构的模态频率和振型特性进行了分析，其中主要考虑了辅助索的道数、张拉方式、初张力和刚度等的影响索网结构的阻尼分析是辅助索减振效果评价的一个重要方面。,索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模,确定索网结构在自重和拉索初张力共同作用下的平衡构形，即确定索网结构的几何非线性静力平衡位置确定斜拉索系统在辅助索初张力作用下的平衡构型，最后得到斜拉索-辅助索构成的索网系统的平衡构型,索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模 斜拉索的精确建模,拉索在X一Z平面(水平面)上的投影长度:,拉索倾角为:,斜拉索的弦长为:,索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模 斜拉索的精确建模,斜拉索的竖向平衡微分方程为：,假定斜拉索的倾角小于90度并忽略高阶小量，该二阶常微分方程的解可以表达为：,在斜拉索的锚固点位置，夹角满足：,在斜拉索的锚固点位置，斜拉索的切向张力T和弦向分量Hc的关系为：,索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模 斜拉索的精确建模,斜拉索张力的切向分量T和弦向分量Hc的关系：,斜拉索张力的弦向分量Hc和水平分量H满足下列关系：,由于斜拉索在水平方向无外荷载作用，所以斜拉索张力的水平分量H是一个常数。相应地，斜拉索张力的弦向分量Hc从也是一个常数。,同理，斜拉索张力在任意位置的切向分量Tx为：,如果n表示斜拉索的分段数目，k=ln+1表示斜拉索节点编号，那么斜拉索每一节点的坐标可以表示为：,相应地，每一段斜拉索单元的初应变可以表达为：,索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模 索网结构的精确建模,由于辅助索在施工中可能采用不同的张拉方式，本文分别考虑了两种辅助索张拉方式的索网结构的精确建模：一次张拉和多次张拉,索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模 索网结构的精确建模,一次张拉，即首先将辅助索与最外侧主索在设计位置锚固，然后将辅助索张拉到一定的初张力值并锚固在桥面，最后将辅助索与所有相交的主索连接最外侧主索的平衡位置和初应变都发生了改变在一次张拉形成的索网结构中，辅助索的初应变是一个常数,索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模 索网结构的精确建模,多次张拉，即首先将辅助索与最外侧主索在设计位置锚固，然后将辅助索张拉到一定的初张力值并锚固在次外侧主索在设计位置，如此依次张拉辅助索，最后将辅助索锚固在桥面第一次张拉辅助索后，最外侧主索的平衡位置和初应变都发生了变化；第二次张拉辅助索后，最外侧和次外侧主索的平衡位置和初应变都发生了变化，其改变量都可通过几何非线性静力分析得到在多次张拉形成的索网结构中，每个辅助索索段的初应变是不同的，最上辅助索索段的初应变最小，最下辅助索索段的初应变最大,索网结构几何非线性静力平衡位置的精确建模 索网结构的精确建模,索网结构的无阻尼模态分析,提高索网结构的频率以远离激励源的频率范围是非常有效的减振措施之一。本节在索网结构精确建模的基础上，分析了索网结构的无阻尼模态，研究了辅助索的道数，张拉方式，张拉力，刚度等对索网结构模态频率和振型的影响。,索网结构的无阻尼模态分析 辅助索道数的影响,索网结构的无阻尼模态分析 辅助索道数的影响,采用钢丝绳辅助索，张拉方式为一次张拉方式，辅助索张拉力使上索(最长主索)的上端索力增加5%，着重研究了辅助索的道数对索网结构面外和面内模态频率的影响。,即使增加辅助索的道数，索网结构的模态频率只是略有提高，几乎与未安装辅助索的情况一致，这一点说明辅助索道数增加对面外刚度影响较小，也说明了辅助索对索网结构面外运动减振效果较差。,索网结构的无阻尼模态分析 辅助索道数的影响,增加辅助索道数，索网结构的低阶面内模态频率都得到了提高，索网结构频率的增加可以减小对低频激励的响应索网结构的频率发展都呈现阶梯式发展的趋势，随着辅助索道数的增加，阶梯平台的长度有增加的趋势一个较为简单的解释是，随着辅助索道数的增加，斜拉索被分割的索段数目也相应增加，斜拉索中间各索段的张力、长度、单位长度质量和边界条件等差别较小，相应的斜拉索中间各索段的频率差别也较小，而且随着辅助索道数的增加，斜拉索中间索段的数目也相应增加，因此阶梯平台的长度有增加的趋势但是在某些高阶频率处，辅助索道数的增加却导致索网结构频率的降低或增加甚少,索网结构的无阻尼模态分析 辅助索张拉方式的影响,采用钢丝绳辅助索，辅助索张拉力使上索(最长主索) 上端索力增加5%，分别分析了一次张拉方式和多次张拉方式两种情况,辅助索张拉方式对索网的面内模态频率有一定的影响，采用多次张拉方式时，索网结构的模态频率有微小程度的增加，但总体来说影响甚小,索网结构的无阻尼模态分析 辅助索张拉方式的影响,辅助索两种张拉方式的不同主要体现在这两种张拉方式引起的主索及辅助索内力的不同，也就是说这两种张拉方式会导致索网结构几何非线性静力平衡位置的差异索网结构几何非线性静力平衡位置的差异将相应地引起索网结构模态频率、振型及分布阻尼特性的不同,索网结构的无阻尼模态分析 辅助索张拉力的影响,分析了最长主索的上端索力分别增加5%和10%的情况，采用钢丝绳辅助索，辅助索采用一次张拉方式辅助索张拉力对索网的面内模态频率有一定的影响，采用较大的辅助索张拉力时，索网结构的模态频率有微小程度的增加，但总体来说影响甚小,索网结构的无阻尼模态分析 辅助索刚度的影响,由于辅助索的引入，一方面约束了索网结构中主索的模态位移，另一方面提高了索网结构的频率，因此可以从主索模态位移的放松程度和索网结构的频率变化分析柔性辅助索和刚性辅助索的区别（刚性辅助索：钢丝绳；柔性辅助索：橡胶绳）,主索模态位移的放松程度可以用最长主索与辅助索连接位置的模态位移与索网结构的最大模态位移的比值来表示：,辅助索的弹性模量与主索的弹性模量相同，辅助索刚度的变化通过改变辅助索的面积实现，定义无量纲的辅助索刚度：,索网结构的无阻尼模态分析 辅助索刚度的影响,采用刚性辅助索的索网结构低阶频率提高效果较为明显，而柔性辅助索相对来说对索网结构的低阶频率提高较小。而在索网结构的某些高阶模态处，采用刚性辅助索的索网结构的频率与采用柔性辅助索的索网结构的频率大致相等,总结,增加辅助索道数，索网结构的面内频率都得到了提高，特别是低阶频率增加更为明显；辅助索的张拉方式和张拉力对索网结构面内模态频率影响较小，但是对索网结构模态振型有一定的影响；刚性辅助索，刚度在一定范围的