基于强迫振动装置的拉索和水线气动力试验

为了研究斜拉索风雨激振中拉索和水线上的气动力,制作了直径为350 mm的拉索模型,采用强迫振动装置,对粘贴水线的二维拉索进行了5种工况下的测压风洞试验.系统研究了水线的存在、模型竖向和扭转振动对拉索和水线的平均风压系数、脉动风压系数、平均气动力系数、脉动升力系数功率谱等的影响,并对准定常理论在风雨激振理论分析中的适用性进行了验证.结果表明:准定常理论能反映拉索和水线气动力的主要特征;拉索竖向振动和水线周向摆动基本不影响拉索和水线的平均气动力系数,拉索平均升力系数在60°风攻角处发生突降;水线的周向摆动对脉动气动力的影响很大,远大于拉索竖向振动的影响;水线的存在不仅使水线附近的风压系数发生突变,而且还降低了旋涡脱落频率.     

斜拉索风雨振响应特性

为了研究斜拉桥拉索风雨振的机理及响应特征,在岳阳洞庭湖大桥建立了由风速仪、雨量计、加速度传感器组成的风雨振现场观测系统,观测到了多次拉索风雨振现象;得到了发生拉索风雨振时风速、风向及雨量的基本条件,分析了风雨振时拉索振动的幅值、主振频率、模态参与特性及空气动力负阻尼比等响应特征。结果显示拉索风雨振很少为单模态振动,大多表现为主振模态和多阶模态参与的振动。     

黏滞惯性质量阻尼器对斜拉索减振效果的数值分析

随着斜拉桥跨度的增大,斜拉索长度也越长,会同时存在发生风雨激振和涡激共振的可能性。风雨激振参与模态主要为低阶,涡激共振参与模态为高阶,这给斜拉索减振阻尼器的设计带来了新的挑战。采用数值方法,研究了黏滞惯性质量阻尼器（Viscous Inertial Mass Damper,VIMD）的斜拉索减振效果。首先,将斜拉索简化为张紧弦,建立了斜拉索-VIMD系统的运动微分方程,采用有限差分方法对方程进行数值求解。然后,以苏通大桥A30号斜拉索为工程背景,研究了各参数对该系统模态阻尼比的影响。最后,研究了阻尼器支架刚度对斜拉索-VIMD系统减振效果的影响,并将数值解与近似解析解进行对比。研究结果表明：在传统的黏滞阻尼器中并联惯性质量单元,可显著提高斜拉索的模态阻尼比,非常有利于减振;斜拉索-VIMD系统各阶模态的量纲为1的阻尼比曲线不重合,这与传统的斜拉索-VD（Viscous Damper）系统不同;斜拉索-VIMD系统的模态阻尼比随支架刚度的减小而急剧减小。     

千米级斜拉桥斜拉索相关参数计算方法

为解决千米级斜拉桥的斜拉索无应力长度及索力的计算问题,推导了用悬链线理论计算斜拉索无应力长度的公式,建立了考虑垂度及斜度影响的振动微分方程,在此基础上同国内外频率法索力计算4种实用计算公式进行了比较,结果表明该方法具有高精度和计算方便的特点,应用于苏通大桥索力测试中,能够满足其精度要求.     

考虑弯矩刚度影响下两拉索体系自振特性分析

为探究拉索抗弯刚度以及相邻索之间的干扰因素对斜拉索体系自振特性的影响，以两拉索体系为研究背景，构建了可同时考虑拉索抗弯刚度、索力以及相邻索耦合效应的双梁力学模型。该模型上梁与下梁分别用来模拟拉索，中间层用来考虑拉索间的干扰因素，拉索的两端分别采用竖向和旋转弹簧模拟边界条件。基于双梁力学模型，首先给出了两拉索体系自由振动频率与模态函数的理论解；然后针对高阶超越方程无法直接求解的难题，给出了相应的高效的迭代算法；最后通过与有限元结果的对比验证了所提方法的正确性，并就可能影响拉索体系自振特性的几种典型外部因素进行了参数化分析。结果表明：1)所提方法具有较高的计算精度与效率，理论推导正确可靠；2)轴力越大拉索体系的自振频率越大，但轴力对体系的振动模态无影响；3)双梁模型中间支撑的刚度对缆索体系的振动频率与模态有较大的影响，尤其对体系的高阶振动更明显；4)边界条件对体系的自振频率与模态函数影响明显。提出的双梁模型可较好地考虑两拉索间耦合特性，可为求解同类拉索体系的动力响应提供参考。     

基于改进尾流振子模型的超长拉索涡激振动特性数值研究

为了研究大跨度斜拉桥超长拉索在不同流场特性下的高阶多模态涡激振动问题，以牛顿定律为基础，建立了考虑张力变化以及垂度效应的拉索结构振子方程，引入改进的Van Der Pol式尾流振子模型，以加速度耦合两非线性振子，提出了一种简便的拉索涡激振动流固耦合预报模型；采用二阶中心差分法，对两振子方程在空间域和时间域进行离散迭代求解，编制了拉索涡激振动的MATLAB计算程序，并验证了其可靠性。该方法为研究拉索涡激振动提供了一种新思路，可解决风洞试验和数值软件（CFD）不便模拟大长细比拉索结构的问题。基于提出的预报模型，以1根330 m超长拉索为研究对象，分析了拉索多模态涡激振动特性，探讨了不同流场特性对拉索涡激振动的影响。研究结果表明：均匀流作用下，拉索发生涡激锁定现象，以单一模态发生振动，随着风速的增加，拉索涡激锁定区间增大而最大振幅不发生改变；剪切流作用下，拉索发生多模态涡激振动，位移响应呈现"拍"的特点，振动频率分布在Strouhal涡脱频率范围内，存在2个或3个主导频率，主导频率全程参与振动，非主导频率间歇参与振动；拉索多模态涡激振动位移响应表现为行波-驻波并存的状态，随着风剖面指数的增加，涡激振动行波效应显著。     

Analysis on Frequency and Force of Stay Cable Considering Flexural Rigidity

以经典弦振动理论为基础,建立斜拉索振动分析的有限元模型,提出考虑抗弯刚度的斜拉索平衡索曲线迭代计算方法.讨论抗弯刚度对斜拉索平衡索曲线的影响,绘制出距垂比随拉弯刚度比的变化曲线,得出了斜拉索的垂度随抗弯刚度的增大而减小的变化规律.针对西昌斜拉桥25对斜拉索的模态进行精确分析,以有限元的方法验证了斜拉索的模态超越现象,分别绘制频率和振型随索力的变化曲线,归纳索频率变化规律,提出索力测量的实用计算方法,采用频差法来判断实测各阶频率的阶数,并且以第2阶频率来进行索力计算.经工程实例验证,考虑抗弯刚度的斜拉索平衡索曲线迭代计算方法可以有效排除由模态超越带来的索力计算偏差,适用于各种长度的斜拉索以及在施工过程中各阶段的索力测量计算.     

斜拉桥拉索减振阻尼器对拉索索力测量的影响研究

针对采用频率法测量拉索索力时拉索外加阻尼器对索力测量精度影响的问题,提出了考虑拉索垂度的拉索-阻尼器系统模态频率的分析方法,研究了阻尼器安装的相对高度、拉索的计算长度、阻尼系数等对拉索模态频率的影响程度和规律,获得了消除拉索减振阻尼器对索力测量精度影响的办法。研究表明,外加阻尼器对拉索低阶模态频率影响很大,采用高阶模态频率测量拉索索力时,索力测量能获得很好的精度。随着拉索-阻尼器系统相对安装长度和阻尼系数的增大,阻尼器对拉索模态频率的影响也越大,当阻尼系数增加到一定程度后,拉索的高阶模态频率基本与阻尼系数无穷大时的频率接近,阻尼器相当于固定支撑。以岳阳洞庭湖大桥A11号拉索为例,验证了该方法合理可行。     

提高斜拉索索力估算精度的一种新方法

根据斜拉桥拉索振动的特点,建立了考虑垂度及斜度影响的振动微分方程,并利用奇异摄动解法进行求解。不仅考虑了索的刚度,而且将索的边界条件假定为简支和固支耦合的情况,在此基础上提出了频率法的索力计算实用公式。分析比较了目前国内外的其他主要计算公式,结果表明该公式具有高精度和计算方便的特点。将该实用计算公式用于南京长江三桥施工控制中,通过对实际斜拉索测试得到的各阶频率进行计算,并与设计索力和压力传感器得到的索力进行对比分析。计算表明该公式能够满足实际工程的需要,可广泛适用于频率法测估各种索类结构的内力。     

斜拉索阻尼器减振效果检测技术研究

斜拉索由于其质量轻、阻尼小,极易在外界激励下产生各种振动,在拉索锚固端附近安装阻尼器以提高拉索的模态阻尼是目前使用最广泛的减振方法,因此阻尼器减振效果的检测评定对于保证桥梁运营安全非常重要。基于DASP系列软件平台测试了拉索阻尼,利用人工激振拉索至一定振幅后再测得的振动衰减的位移时程曲线,计算了拉索前三阶模态阻尼,该方法简单可靠,可以用来进行拉索减振器的功能评定。     

基于激光扫描实测索形的斜拉索索力测量方法

为了解决现有的斜拉桥索力测量方法在精度、可靠性、效率等方面仍存在的不足，首次提出了一种由实测索形直接估计索力的新方法，简称索形法。采用在斜拉索上任意截取的拉索节段构建了悬链线力学模型，基于悬链线公式，首次推导了由实测索形点集精确估计拉索张力的计算公式。地面激光扫描技术被研究用于快速捕获斜拉索索形，开发了基于扫描点云自动化精确提取拉索中心线的算法。以在建的水土嘉陵江大桥为试验对象，详细分析了三维扫描测量误差、拉索截面弯曲刚度及边界条件和拉索局部弯曲变形、拉索振动等索形偏差因素及其对索力计算精度的影响。研究结果表明：已知拉索直径条件下，三维扫描实测索形误差为0.000 4~0.001 5 m之间，测量误差引起的索力计算误差在0.2%以内；拉索弯曲刚度与锚固边界条件引起的索形与标准悬链线形的偏差较小，对索力计算精度的影响可以忽略不计；当拉索自振振幅小于R/4时，三维扫描仍能精确测量拉索的索形；在多种索形偏差的叠加下，所提出的索力计算方法能够实现数值计算的最优估计。对比索形法和被精确标定的千斤顶的测试结果表明，索形法的索力测量值与千斤顶测量值吻合，最大偏差为0.9%，证明了该方法具有较高的索力测量精度；与频率法对比结果表明，所提出方法的数据采集效率提高了8倍，并且具有自动化程度高、测量风险低、测量结果可靠性强等优点。     

Nonlinear analysis of wind-induced vibration of high-speed railway catenary and its influence on pantograph–catenary interaction

The wind-induced vibration of the high-speed catenary and the dynamic behaviour of the pantograph–catenary under stochastic wind field are firstly analysed. The catenary model is established based on nonlinear cable and truss elements, which can fully describe the nonlinearity of each wire and the initial configuration. The model of the aerodynamic forces acting on the messenger/contact wire is deduced by considering the effect of the vertical and horizontal fluctuating winds. The vertical and horizontal fluctuating winds are simulated by employing the Davenport and Panofsky spectrums, respectively. The aerodynamic coefficients of the contact/messenger wire are calculated through computational fluid dynamics. The wind-induced vibration response of catenary is analysed with different wind speeds and angles. Its frequency-domain characteristics are discussed using Auto Regression model. Finally, a pantograph model is introduced and the contact force of the pantograph–catenary under stochastic wind is studied. The results show that both the wind speed and the attack angle exert a significant effect on the wind-induced vibration. The existence of the groove on the contact wire cross-section leads to a significant change of the aerodynamic coefficient, which affects largely the aerodynamic forces applied on the catenary wires, as well as the vibration response. The vibration frequency with high spectral power mainly concentrates on the predominant frequency of the fluctuating wind and the natural frequency of catenary. The increase in the wind speed results in a significant deterioration of the current collection. The numerical example shows that a relatively stable current collection can be ensured when the wind flows at the relatively horizontal direction.     

Nonlinear modelling of high-speed catenary based on analytical expressions of cable and truss elements

Due to the intrinsic nonlinear characteristics and complex structure of the high-speed catenary system, a modelling method is proposed based on the analytical expressions of nonlinear cable and truss elements. The calculation procedure for solving the initial equilibrium state is proposed based on the Newton–Raphson iteration method. The deformed configuration of the catenary system as well as the initial length of each wire can be calculated. Its accuracy and validity of computing the initial equilibrium state are verified by comparison with the separate model method, absolute nodal coordinate formulation and other methods in the previous literatures. Then, the proposed model is combined with a lumped pantograph model and a dynamic simulation procedure is proposed. The accuracy is guaranteed by the multiple iterative calculations in each time step. The dynamic performance of the proposed model is validated by comparison with EN 50318, the results of the finite element method software and SIEMENS simulation report, respectively. At last, the influence of the catenary design parameters (such as the reserved sag and pre-tension) on the dynamic performance is preliminarily analysed by using the proposed model.     

考虑振动装置影响的斜拉桥拉索索力评估方法研究

针对斜拉桥在运营过程中的实际索力标定问题,本文在原有的频谱法测试索力原理的基础上,通过考虑拉索减振器的位置,引入修正的等效索长,建立考虑减振器位置的斜拉桥索力测试方法。该方法既能满足索力测试过程中通过采集拉索振动基频便捷性,同时又能考虑拉索减振器布置带来的偏差影响,因此具有很好的理论意义和工程使用价值。最后,通过三水大桥的斜拉索实际索力测试,说明本文提出方法的适用性和工程实用价值。     

空间缆索自锚式悬索桥动力特性及刚度影响规律

空间缆索自锚式悬索桥的主缆直接锚固在加劲梁上,同时由于主缆的空间特性,与地锚式悬索桥及传统平面索相比,其动力性能存在很大的差异.针对青岛海湾大桥大沽河航道桥建立非线性空间有限元模型,对其动力特性及结构刚度影响规律进行了分析.结果表明,该桥振型基本合理,具有密布的频谱;作为自锚式悬索桥其整体刚度较低,固有周期较长;单柱式桥塔的横向刚度较弱,横向振动出现较早;另外,由于缆索横向间距较小,刚度较小,前10阶振型中有5阶索振.各振型受结构刚度的影响不同,主缆刚度主要影响悬索桥的1阶竖弯及扭转,加劲梁竖向刚度对加劲梁1阶竖弯及加劲梁扭转振型影响较大,横向刚度主要影响悬索桥的加劲梁横向振型,扭转刚度主要影响悬索桥的1阶扭转振型;主塔纵向刚度主要影响悬索桥的纵飘振型;横向刚度主要影响索塔的1阶横向振型.     

Evaluation of the coupled dynamical response of a pantograph—catenary system: contact force and stresses

In this article, the static stresses in a catenary and its vibration modes are calculated by establishing the FEM model of the catenary with Euler-Bernoulli beam elements. The mode shapes of the catenary obtained are considered as the generalized variables which are used in the establishment of the motion equations of the catenary system. The physical model of the pantograph is simplified as a multi-body system with mass, stiffness, damping, and friction. On the basis of having derived the coupled motion equations of the pantograph-catenary system, its dynamic behavior is analyzed in detail and the contact force is calculated. Using the contact force as the external moving load of the FEM model of the catenary, the dynamic stress in the catenary is simulated. Through the detailed analysis and calculation, we not only obtain the dynamic stress response at any element of the catenary, but also its frequency responses. As the dynamic stress in the assistant wire is quite large, the influence of its structure on dynamic stress is analyzed and the way to reduce the dynamic stress is suggested. At last, the calculation method of dynamic stress is validated by a test.     

大跨径悬索桥无抗风缆猫道动力特性分析

采用理论建模和ANSYS有限元预应力索结构模态分析的研究方法,对大跨径悬索桥无抗风缆猫道动力特性进行了研究,理论推导了无抗风缆猫道1阶竖向、侧向和扭转振动频率公式,数值分析了桥塔、矢跨比、横向天桥、材料性能及联结索等参数对猫道振动特性的影响.结果表明:桥塔对猫道自振频率影响很小;猫道的振动频率随着矢跨比的增加而呈减小的趋势;横向天桥的位置和个数对猫道低阶频率影响很小,对高阶频率有一定影响;平行索对猫道频率几乎无影响,交叉索对猫道低频影响很小,对扭转频率有一定提高;CFRP与钢承重绳猫道的自振频率差别不大,却能大大降低对卷扬机等施工机具的要求.     

无应力状态法在钢绞线斜拉索施工中的应用

针对平行钢绞线斜拉索施工过程中的索力控制问题,提出采用无应力状态法理论确定单根斜拉索中每根钢绞线挂设初张力的方法.基于无应力状态法理论与悬链线索元理论建立斜拉索无应力索长与张拉力的关系式,以各次钢绞线挂设完成为平衡状态进行力学分析,建立求解单根钢绞线张拉力的非线性方程组,采用MATLAB编程,运用最速下降法迭代得到非线性方程组的数值解.以武汉某大桥正桥为例,对其中跨22号斜拉索中单根钢绞线张拉力进行求解,结果表明所推导的方法是准确和有效的.