斜拉桥塔-索-桥面连续耦合参数振动特性分析.PDFVIP

第 32 卷 第 2 期 应 用 力 学 学 报 Vol.32 No.2 2015 年 4 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Apr. 2015 文章编号：1000- 4939(2015) 02-0340-07 斜拉桥塔-索-桥面连续耦合参数振动特性分析 汪峰 文晓旭 刘章军 (三峡大学 土木与建筑学院 443002 宜昌) 摘要：针对端部激励作用下斜拉索与桥塔、桥面协同振动问题，考虑拉索几何非线性、倾角、阻 尼以及拉索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，推导了拉索与桥塔和桥面共同在激励作用下的耦合振动方程组，研究了桥塔-索- 桥面结构系统参数的振动特性，并用数值仿真方法分析桥面与拉索频率比、桥面激励幅值、索 力及拉索阻尼对结构耦合振动特性的影响规律。结果表明：桥面与拉索的频率比分别为 1 ∶2 和 2 ∶1 时，拉索会发生不同模式的大幅振动；相比于超谐波共振模式，亚谐波共振模式的拉索振幅 更大，但达到共振所需时间较长；拉索振幅随桥面激励幅值的增大呈非线性增大，桥面激励幅值 越大，拉索积蓄共振能量所需的时间越短；拉索振幅随索力增大而减小；拉索自身阻尼对其振动 的影响较小，增大拉索阻尼时，拉索振幅虽有减小趋势，但是减小幅度有限。 关键词：斜拉桥；塔-索-桥面结构；耦合振动；数值仿真 中图分类号：U448.27 ；U441.3 文献标识码：A DOI ：10.11776/cjam.32.02.C033 国内外学者针对斜拉索的参数振动问题开展了 1 引 言 广泛研究。文献[5]用试验和理论分析方法研究了三 自由度索-梁组合结构的自激参数共振，观察到了索 斜拉索是大跨度斜拉桥的重要构件，为主梁提 的横向振动频率、梁的振动频率为 1 ∶1 的共振现 供弹性支撑作用。由于质量轻、柔度大、阻尼小， [1] 象。文献[6]将拉索简化成弦，并将拉索离散成均匀 在外激励作用下斜拉索极易发生大幅振动 ，进而影 质量的质点，将桥面也简化为质量-弹簧系统，得到 响桥梁结构的安全与使用性能。近年来，通过对服 了当系统满足参数共振的条件时，两者均会出现大 役期大跨度斜拉桥振动的观测表明，在微风细雨气 幅“拍”振动特性。文献[7]考虑拉索垂度、倾角、 候条件下，拉索仍会发生强烈的大幅振动，振动幅 [2-3] 几何非线性的影响，建立了索-桥耦合振动模型，研 值甚至会达到 1m 以上 ，且人们普遍认为该振动 究了索-桥耦合的非线性参数振动问题以及拉索的 是由桥塔或桥面激励引起。与强风雨动力直接作用 内共振问题。文献[8]将桥面简化为悬臂梁，索塔简 下拉索发生的振动不同，桥面或主塔激励此时作为 化为具有刚度、质量、阻尼的弹簧构件，建立索- 参数出现在拉索振动系统中，当激励频率与拉索固 [4] 梁振动模型，研究了系统频率比和索力等因素对拉索