【摘要】：基于現(xiàn)場觀察到的國內(nèi)某特大跨度懸索橋吊索的風(fēng)致振動現(xiàn)象,定性分析排除了尾流馳振、渦激共振及風(fēng)雨激振。理論論述、數(shù)值模擬和簡化風(fēng)洞試驗依次證明這是一種主纜抖振引起的吊索共振。由于吊索密集的固有頻率和結(jié)構(gòu)抖振的廣譜特性,隨機風(fēng)場激起的主纜隨機抖振含有豐富的模態(tài)成份,當主纜具有一定抖振能量的振動頻率與吊索固有頻率充分接近時就會激發(fā)吊索的共振。因此,從來流紊流風(fēng)場中獲得能量的是主纜而非吊索自身。與主纜的模態(tài)質(zhì)量相比,一根或幾根吊索的模態(tài)質(zhì)量很小,因此吊索大幅振動吸收的能量并不會對主纜的振動帶來實質(zhì)性的影響,從而可形成一個相對穩(wěn)定的能量供給機制。分析結(jié)果表明吊索的共振幅值對其固有頻率、風(fēng)速和阻尼比敏感。另一方面,每根吊索四根鋼絲繩間的氣動干擾,將使吊索振動進一步復(fù)雜化并導(dǎo)致四支鋼絲繩振動的不完全同步。此外,在主纜上加設(shè)多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(MTMD)抑制主纜在吊索自然頻率附近的振動,間接抑制吊索的振動具有很好的效果。論文的主要工作和結(jié)論如下:(1)首先介紹了橋梁風(fēng)荷載效應(yīng)、拉索風(fēng)致振動類型和拉索振動的控制措施。比較了現(xiàn)場觀測到吊索風(fēng)致振動現(xiàn)象和與既有拉索振動類型的特點,定性排除了尾流馳振、渦激共振、風(fēng)雨激振和橋塔尾流引起振動的可能性。建立大橋有限元模型,細化吊索單元,進行全橋有限元動力特性分析,提取吊索的振動模態(tài)。結(jié)果顯示吊索的自然頻率較低且分布密集,且在很小的頻率區(qū)間內(nèi)會同時出現(xiàn)大量主纜和吊索的振動模態(tài),存在纜索系統(tǒng)內(nèi)共振的可能性。(2)采用諧波合成法模擬了該橋主梁和主纜處的抖振脈動風(fēng)場。分析作用在該橋上的抖振力荷載,僅在主梁和主纜上施加抖振脈動風(fēng)荷載。為了避免定性分析造成困惑,忽略吊索自身所受風(fēng)荷載。數(shù)值模擬全橋的抖振時程,提取吊索中點、與主纜連接上端點及與主梁連接下端點的橫向位移時程,并進行頻譜分析。分析得到這種振動的機理是自然風(fēng)作用在主纜上產(chǎn)生振動的能量傳遞到吊索,引起吊索的振動,而非吊索自身從來流紊流風(fēng)場獲得能量的。繪制長吊索和主纜的橫向振動形態(tài)圖,說明引起吊索共振的是主纜微小(不可察覺)的高階振動。吊索振動的劇烈程度與其沿主梁的位置(吊索的固有頻率:長度和材料特性等)、風(fēng)速和阻尼比等因素有關(guān),與吊索離散精度和細化吊索在全橋的分布范圍關(guān)系不大。導(dǎo)致每根吊索四支鋼絲繩振動不同步的原因是其間的氣動干擾,包括準定常剪切流和非定常特征紊流(或規(guī)則渦脫)。(3)建立主纜-吊索系統(tǒng)的簡化模型,通過主纜和吊索模型自振測試各自的阻尼比。由自由拍振將共振頻率調(diào)至目標頻率。利用格柵生成脈動風(fēng)場,進行風(fēng)洞試驗。采用有機玻璃罩封閉吊索,比較吊索受風(fēng)與否對系統(tǒng)共振的影響。試驗結(jié)果顯示無論吊索封閉與否,在所有的測試風(fēng)速下,纜索系統(tǒng)內(nèi)共振都存在。驗證了纜索系統(tǒng)風(fēng)致內(nèi)共振的存在。(4)基于該吊索振動機理提出一種全新的減振措施,即在主纜上加設(shè)MTMD,通過抑制主纜在吊索共振頻率處的振動來抑制吊索的振動�？紤]質(zhì)量比、阻尼比、頻率比及安裝位置和數(shù)量的影響,并與吊索端部加設(shè)阻尼器減振效果進行比較。數(shù)值計算結(jié)果表明主纜上加設(shè)MTMD對長吊索振動具有較好的控制效果,且不受結(jié)構(gòu)阻尼和風(fēng)速的影響,而吊索端部加設(shè)阻尼器減振效果不佳。
【圖文】：

速約為 10m/s 或更低時也會發(fā)生較為激烈的振動；（2）無雨和無車（如未通車）時也會發(fā)生吊索振動。圖1.2 吊索的激烈振動類似的振動并非首次出現(xiàn)。1998 年春，主跨為 1624m 的丹麥大帶東橋尚在施工尾期就發(fā)現(xiàn)了吊索的大幅振動現(xiàn)象。之后，該橋大幅的振動現(xiàn)象時有發(fā)生，且主要發(fā)生在長度超過 100 米的吊索[43]。該橋吊索在 2001~2005 年間多次發(fā)生大幅振動， 觀 測資 料 顯 示風(fēng) 速 變化 范圍為 4~16m/s， 最大振幅變化范圍為0.5~2.0m，，且振幅、風(fēng)速及風(fēng)向之間沒有明顯的聯(lián)系。十幾年來，該橋在吊索上先后安裝了螺旋線、抗風(fēng)索、調(diào)液阻尼器、液壓阻尼器等措施但仍然難以控制且無法消除。遺憾的是，至今為止工程師們?nèi)匀粵]有找到該橋吊索振動的本質(zhì)原因。在此背景下，本文結(jié)合國內(nèi)某超大跨度懸索橋現(xiàn)場觀察到的吊索振動現(xiàn)象，從理論上討論了長吊索的一種新的振動形式

單根吊索四根平行鋼絲繩
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U441.3;U448.25

【參考文獻】

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本文編號：2599468