基础激励下桥梁斜拉索的非线性振动.pdf

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1、第8卷第1期2010年3月1672-6553／2010／08(1)／057-5动力学与控制学报JOURNAl．OFDYNAMICSANDCONTROLV01．8No．1Mall"．2010基础激励下桥梁斜拉索的非线性振动木付英(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

2、七分析了激励频率与拉索同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、拉索倾角等参数财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，由梁体锚同段、索体自由段、塔一卜锚固段三部分组成．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．当斜拉桥在各种倚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

3、来一定的基础激励¨圳．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l$0m，跨径组合为(180+90+75)m，全长345m．该桥桥面以上索塔

4、高115．874m，桥面全宽37．6m，索2009-10-26收到第1稿，2009-12-01收到修改稿塔呈中心线仰角800倾斜．桥塔外形轮廓尺寸由塔底11ITI(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问距为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I深圳湾公路大桥有限兀模型Fig．1FiniteelementmodelforShenzhenBaybridge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

5、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．58动力学与控制学报2010年第8卷深圳湾公路大桥中最长斜拉索位于主跨最外侧，全长207．952m．通过模拟地震激励、风致激励、动载激励及上述三种荷载耦合作用于桥梁

6、结构时深圳湾大桥的动力响应，可得到四种工况下该索在桥面及桥塔锚固点的最大绝对位移，为单根斜拉索的分析提供相应的位移荷载数据．数据分析结果见表1：表1斜拉索各工况位移幅值比较Table1Comparisonofdisplacementamplitudeofthecable．．．10adcxmditiondlsplaeement∞is丽cwindhi1loadstplevehlc

7、escOUple雕}ISfnlCdeckpoint2．15000×1045．24860×10。25．25570×10七8．70990×10。towerpoint6．34000×J044．

8、55530×10。4．46180×10之1．75387x10"通过分析索梁连接点、索塔连接点处的振动特性，可得到各工况作用于桥梁整体结构时索锚固点在x,y、z三方向的结点力，并采用式∥可i弼综合考虑其平均值，数据分析结果见表2：表2索锚固点各工况下结点力比较Table2Comparisonofnodalforceofthecable同时分析伞桥的整体动力性能，得到其前20阶振动频率及相应的振动模态，如表3所示：表3全桥整体振动特性Table3Globalvibrationcharacteristicorderfrequency(HZ)modaldescript

9、ion将分析得到的主梁频率特性与拉索的