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大跨度CFRP拉索斜拉桥的模态阻尼特性研究

作　者: 申永刚
导　师: 项贻强；谢旭
学　校: 浙江大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: CFRP斜拉索 CFRP拉索斜拉桥 模态阻尼 黏性阻尼理论 复数特征值方法 应变能比例阻尼方法
分类号: U448.27
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 351次
引　用: 3次
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内容摘要


碳纤维增强复合材料(CFRP)斜拉索具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能,作为新材料在大跨度斜拉桥上的应用具有诱人的前景。因CFRP拉索的质量、弹模、阻尼等与钢索有别,对其振动特性及模态阻尼特性的研究是这种新材料被大量应用前必须解决的基础性工作之一。作为结构阻尼特性计算的常用方法,基于非比例黏性阻尼理论的复数特征值法在桥梁结构的抗震、抗风等动力分析中具有广泛的应用,但对于不同受力条件下的不同结构形式,这种方法的适用性还需要进行讨论。相对较晚提出的应变能比例阻尼方法从能量角度得到结构的模态阻尼比,在结构阻尼特性的识别中具有一定的合理性。本文以跨度600m～1400m的大跨度斜拉桥为对象,采用复数特征值方法和应变能比例阻尼方法对CFRP斜拉索和CFRP拉索斜拉桥的模态阻尼特性进行计算比较。首先,通过与钢索的对比研究,分析了大跨度CFRP斜拉索的模态阻尼特性,将钢索计算结果与Tatara大桥阻尼实测值进行对比,讨论了两种阻尼计算方法的差异性和适用性。其次,对CFRP斜拉索自振状态及横向静风作用下的空气阻尼特性进行了计算分析,通过与钢索计算结果的对比,讨论了拉索振幅及风速对CFRP斜拉索阻尼特性的影响。再次,用复数特征值方法对设置黏性阻尼器的CFRP斜拉索的模态阻尼进行了计算,并对复数特征值方法在大跨度拉索非比例黏性阻尼计算中的适用性进行了评价。另外,通过与钢索斜拉桥的对比,研究了CFRP拉索斜拉桥各子结构(主梁、塔、索、支座等)的非比例黏性阻尼和应变能比例阻尼的分布规律,并将钢索斜拉桥的计算结果与斜拉桥实测阻尼分布规律进行比较,讨论和评价了两种阻尼计算方法在大跨度斜拉桥模态阻尼评估中的适用性。最后,对大跨度CFRP拉索斜拉桥的车桥耦合振动进行了计算,通过与钢索斜拉桥的对比研究,评价了拉索材料变化对斜拉桥振动响应的影响。研究表明,CFRP拉索的自振频率高于钢索,受空气力阻尼的影响比较大,拉索的空气阻尼效果随振幅的增大及风速的提高而增大;黏性阻尼器对CFRP拉索的减振效果优于钢索;CFRP拉索斜拉桥的主要振型及模态阻尼分布规律与钢索斜拉桥类似;相对于钢索斜拉桥,CFRP拉索斜拉桥在车辆荷载作用下的主梁挠曲变形有所增加;基于黏性阻尼理论的复数特征值方法不适合于斜拉桥模态阻尼的评估,相比之下,按应变能比例阻尼方法得到的模态阻尼与实测结果比较符合。

全文目录


致谢  6-8
摘要  8-10
Abstract  10-12
目录  12-17
第1章 绪论  17-49
  1.1 前言  17
  1.2 斜拉桥发展概述  17-18
  1.3 斜拉桥发展面临的问题  18-19
  1.4 CFRP拉索的特点及在斜拉桥上的应用  19-28
    1.4.1 CFRP拉索的特点  19-21
    1.4.2 CFRP拉索的力学特性  21-23
    1.4.3 CFRP拉索在桥梁上的应用  23-25
    1.4.4 CFRP拉索斜拉桥的关键问题及研究进展  25-28
  1.5 斜拉桥的模态阻尼研究  28-36
    1.5.1 阻尼来源  29
    1.5.2 结构阻尼理论  29-30
    1.5.3 阻尼特性的研究方法  30-33
    1.5.4 斜拉索及斜拉桥的阻尼特性研究进展  33-36
  1.6 目前研究的不足  36
  1.7 本文的研究内容及创新点  36-38
    1.7.1 研究内容  36-38
    1.7.2 创新点  38
  参考文献  38-49
第2章 斜拉索的振动方程及阻尼特性计算方法  49-71
  2.1 前言  49-50
  2.2 斜拉索的静力方程  50-52
  2.3 柔性拉索的振动方程  52-64
    2.3.1 柔性拉索的非线性振动方程  52-58
    2.3.2 横向静风荷载作用下的柔性拉索非线性振动方程  58-62
    2.3.3 空气力作用下的柔性拉索非线性振动方程  62-64
    2.3.4 设置黏性阻尼器的拉索振动方程  64
  2.4 结构阻尼计算方法  64-69
    2.4.1 黏性阻尼计算方法  64-65
    2.4.2 应变能比例阻尼计算方法  65-69
  参考文献  69-71
第3章 大跨度CFRP斜拉索的模态阻尼特性  71-89
  3.1 前言  71-72
  3.2 斜拉索的计算模型  72-73
  3.3 斜拉索的自振特性  73-76
    3.3.1 拉索跨度对自振频率的影响  73-75
    3.3.2 拉索垂度对自振频率的影响  75-76
  3.4 钢索的阻尼特性  76-78
    3.4.1 频率与模态阻尼的关系  76
    3.4.2 两种阻尼计算方法的结果比较  76-78
  3.5 CFRP拉索的阻尼特性  78-81
    3.5.1 频率与模态阻尼的关系  78-79
    3.5.2 两种阻尼计算方法的结果比较  79-81
  3.6 拉索振幅对应变能比例阻尼的影响  81-83
  3.7 钢索实测模态阻尼  83-86
  3.8 小结  86-87
  参考文献  87-89
第4章 大跨度CFRP斜拉索的空气力模态阻尼特性  89-97
  4.1 前言  89
  4.2 斜拉索的空气力阻尼计算方法  89-90
  4.3 斜拉索的空气力阻尼特性  90-96
    4.3.1 拉索的空气力自由衰减振动特性  90-93
    4.3.2 拉索振幅对空气力阻尼的影响  93-94
    4.3.3 拉索垂度对空气力阻尼的影响  94-95
    4.3.4 拉索空气力阻尼与应变阻尼的比较  95-96
  4.4 小结  96-97
第5章 受横向静风作用的CFRP斜拉索的模态阻尼特性  97-111
  5.1 前言  97
  5.2 横向静风作用的柔性拉索动力计算方法  97-98
  5.3 横向静风作用下拉索的变形特性  98-99
  5.4 风速对拉索振动频率的影响  99-101
  5.5 风速对拉索振型形状的影响  101-103
  5.6 风速对拉索中点振动轨迹的影响  103-108
    5.6.1 复数特征值方法的计算结果  103-106
    5.6.2 自由衰减振动的计算结果  106-108
  5.7 横向静风作用对斜拉索阻尼特性的影响  108-109
  5.8 小结  109-110
  参考文献  110-111
第6章 设置黏性阻尼器的CFRP斜拉索的模态阻尼特性  111-137
  6.1 前言  111-112
  6.2 拉索及阻尼器的计算条件  112-113
  6.3 阻尼器的附加模态阻尼计算  113-118
    6.3.1 自由衰减振动的计算结果  113-115
    6.3.2 振幅对非线性自由衰减振动的影响  115-117
    6.3.3 复数特征值方法的计算结果  117-118
  6.4 设置阻尼器拉索的模态阻尼参数分析  118-132
    6.4.1 阻尼器黏性阻尼值对拉索模态阻尼比的影响  118-121
    6.4.2 阻尼器夹角对拉索模态阻尼比的影响  121-126
    6.4.3 拉索垂度对模态阻尼比的影响  126-132
  6.5 横向静风阻尼与阻尼器附加阻尼的比较  132-134
  6.6 小结  134-135
  参考文献  135-137
第7章 大跨度CFRP拉索斜拉桥的模态阻尼特性  137-159
  7.1 前言  137
  7.2 斜拉桥计算模型及自振特性  137-144
  7.3 复数特征值方法的计算结果  144-149
    7.3.1 黏性阻尼系数与阻尼比之间的关系  144-146
    7.3.2 不同子结构对结构系统阻尼的贡献  146-147
    7.3.3 复数特征值方法得到的模态阻尼比  147-149
  7.4 应变能比例阻尼方法的计算结果  149-153
    7.4.1 斜拉桥各子结构的模态应变能分布比例  149-152
    7.4.2 应变能比例阻尼方法得到的模态阻尼比  152-153
  7.5 斜拉桥实测模态阻尼比分布特性  153-155
  7.6 小结  155-156
  参考文献  156-157
  附表:18座实测阻尼的钢斜拉桥一览表  157-159
第8章 应变能比例阻尼理论在CFRP拉索斜拉桥车桥耦合振动中的应用  159-181
  8.1 前言  159-160
  8.2 计算理论  160-165
    8.2.1 结构振动方程  160-161
    8.2.2 结构阻尼计算  161-162
    8.2.3 车辆振动方程  162-165
  8.3 路面平整度模拟  165-167
  8.4 车辆计算模型对桥梁振动的影响  167-169
  8.5 钢索斜拉桥的车桥耦合振动特性  169-173
    8.5.1 行车速度对车桥振动响应的影响  169-171
    8.5.2 行车速度对拉索局部振动的影响  171-173
  8.6 CFRP拉索和钢索斜拉桥的车辆耦合振动比较  173-176
    8.6.1 主梁挠曲变形  173-174
    8.6.2 拉索的位移和张力响应  174-176
  8.7 CFRP拉索斜拉桥的冲击系数  176-179
  8.8 小结  179-180
  参考文献  180-181
第9章 结论与展望  181-183
  9.1 主要结论  181-182
  9.2 研究展望  182-183
附录 作者攻读博士学位期间的论文清单  183-184

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 各种桥梁 > 桥梁：按结构分 > 斜拉桥
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