大跨度橋梁鋼箱梁加勁板的動(dòng)力行為研究

鋼箱梁具有高度低、自重輕、極限承載力大、易于加工制造且結(jié)構(gòu)連續(xù)等特點(diǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看比較經(jīng)濟(jì)，因此在大跨度橋梁中得到普遍應(yīng)用。針對(duì)鋼箱梁加勁板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)理論推導(dǎo)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，較為系統(tǒng)地研究了鋼箱梁加勁板的動(dòng)力特性，主要完成以下工作： (1)運(yùn)用能量法分析鋼箱梁加勁板的線性振動(dòng)，分析中包括三點(diǎn)假設(shè)：第一，將鋼箱梁加勁板視為雙向加勁板處理，縱向加勁板與橫隔板均按質(zhì)量與剛度進(jìn)行等效；加勁板視為梁?jiǎn)卧?，同時(shí)考慮梁的扭轉(zhuǎn)對(duì)橫向振動(dòng)的影響；母板按經(jīng)典薄板理論計(jì)算，不計(jì)扭轉(zhuǎn)的影響。第二，考慮加勁肋的偏心，同時(shí)考慮母板的膜應(yīng)變能。第三，板的振型函數(shù)用兩個(gè)獨(dú)立的梁的振型函數(shù)的乘積表示。 (2)運(yùn)用組合板梁?jiǎn)卧ǚ治鲣撓淞杭觿虐宓木€性振動(dòng)，針對(duì)梯形肋加勁板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了組合板梁?jiǎn)卧@一特殊的單元，其中頂板作為結(jié)構(gòu)的基本部分，按平板殼單元分析，而梯形加勁肋作為結(jié)構(gòu)的附屬部分，各個(gè)板件作為板梁子單元進(jìn)行分析。通過(guò)能量變分原理分別推導(dǎo)出組合板梁?jiǎn)卧膭偠染仃?、一致質(zhì)量矩陣與一致荷載列陣，通過(guò)編制出相應(yīng)的有限元計(jì)算程序，求解梯形肋加勁板的局部振動(dòng)。 (3)針對(duì)四邊簡(jiǎn)支加勁板，提出了動(dòng)態(tài)屈曲臨界荷載的求解方法，運(yùn)用Hamilton原 理建立加勁板動(dòng)態(tài)屈曲特征方程。分析中考慮初始幾何缺陷的影響，并討論了初始幾何缺陷、加勁肋的數(shù)量及其剛度的變化對(duì)動(dòng)態(tài)屈曲臨界荷載的影響。 (4)基于能量原理確定母板與肋的應(yīng)變能與動(dòng)能，然后運(yùn)用Lagrange方程推導(dǎo)出加勁板的非線性振動(dòng)微分方程。運(yùn)用單模態(tài)方法研究了四邊簡(jiǎn)支、四邊固定與移動(dòng)邊界三種情況下加勁板的非線性振動(dòng)。 (5)研究了四邊簡(jiǎn)支與四邊固定加勁板在主共振激勵(lì)作用下的雙模態(tài)非線性動(dòng)力響應(yīng)。將板的阻尼視為粘彈性類(lèi)型，加勁板的運(yùn)動(dòng)方程通過(guò)Lagrange方程建立，通過(guò)設(shè)定振型函數(shù)將運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化為雙自由度?？紤]3:1內(nèi)共振情況，利用多尺度法分析加勁板的雙模態(tài)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)結(jié)合數(shù)值算例討論了兩個(gè)方向設(shè)置不同數(shù)量加勁肋的情況下加勁板的主共振穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與幅頻關(guān)系。 (6)研究了四邊簡(jiǎn)支與四邊固定加勁板在面內(nèi)周期激勵(lì)作用下的動(dòng)力穩(wěn)定性，運(yùn)用Hamilton原理建立加勁板的參數(shù)振動(dòng)控制方程，選取第(1,1)階模態(tài)進(jìn)行分析，將控制方程轉(zhuǎn)換成Mathieu-Hill方程，并利用傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行求解。最后，給定參數(shù)討論了加勁肋的數(shù)量與剛度變化對(duì)加勁板動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域的影響。

針對(duì)大跨度橋梁中廣泛應(yīng)用的鋼箱梁加勁板，從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面研究加勁板的動(dòng)力行為。首先，將鋼箱梁加勁板視為雙向加勁板，縱向加勁肋與橫隔板均按質(zhì)量與剛度進(jìn)行等效，加勁肋視為梁?jiǎn)卧?，母板按?jīng)典薄板理論考慮，分別采用彈性理論與能量原理建立加勁板的動(dòng)力平衡方程。研究加勁板在彈性支承以及移動(dòng)邊界等復(fù)雜邊界條件下的線性與非線性振動(dòng)，討論加勁板的固有頻率、振型等線性特征以及內(nèi)共振、動(dòng)力穩(wěn)定性等非線性特征，同時(shí)結(jié)合靜態(tài)疲勞理論研究鋼箱梁加勁板的振動(dòng)疲勞特性。其次，考慮阻尼系數(shù)，運(yùn)用數(shù)值方法分析加勁板在各種邊界條件與激勵(lì)作用下的非線性振動(dòng)。最后，制作一定數(shù)量的加勁板模型，考慮簡(jiǎn)支、固定、彈性支承等幾類(lèi)邊界條件，研究加勁板在周期激勵(lì)作用下的動(dòng)力特性，進(jìn)一步對(duì)理論與數(shù)值方法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而為預(yù)測(cè)加勁板的動(dòng)力特性同振動(dòng)控制提供依據(jù)。

大跨度橋梁的設(shè)計(jì)、建造及研究是交通工程中的一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)工作。本項(xiàng)目基于現(xiàn)代非線性動(dòng)力學(xué)理論對(duì)大跨度斜拉橋的動(dòng)力學(xué)行為及特征開(kāi)展理論與實(shí)驗(yàn)研究。我們分別從計(jì)算分析模型、方法等方面出發(fā)，通過(guò)對(duì)不同荷載作用下索、梁、索-梁組合結(jié)構(gòu)、大跨度斜拉橋整橋在不同簡(jiǎn)化分析計(jì)算方式與不同材料性能等情況下的非線性動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)該項(xiàng)目的研究，在以下幾個(gè)方面取得了豐碩的成果：（1）斜拉橋中拉索動(dòng)力學(xué)模型及特性研究。建立了斜拉索五個(gè)自由度的空間運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型和理論，對(duì)彎曲剛度、溫度、彈性模量等重要參數(shù)對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響以及在橋面和橋塔激勵(lì)下、風(fēng)荷載激勵(lì)下的斜拉索的內(nèi)共振等行為進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，基于MR阻尼器-斜拉索時(shí)滯動(dòng)力學(xué)模型和理論研究，為提供新的斜拉索振動(dòng)控制方法。（2）斜拉橋中梁的動(dòng)力學(xué)模型及特性研究。研究了溫度、幾何缺陷等重要參數(shù)對(duì)梁的動(dòng)力學(xué)特性的影響，建立了軸力作用下彈性支座壓電耦合梁的非線性動(dòng)力學(xué)模型，為振動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。（3）斜拉橋下部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型及特性研究。重點(diǎn)研究了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中高墩結(jié)構(gòu)的抗震性能、墩頂位移計(jì)算方式、樁基礎(chǔ)中樁與土的相互作用，為斜拉橋下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。（4）斜拉橋的索-梁動(dòng)力學(xué)模型及特性研究?？紤]邊界條件和連接點(diǎn)處的連接條件，建立了索-梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程，對(duì)整體振動(dòng)，局部振動(dòng)以及聯(lián)合振動(dòng)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了索與梁間的多種共振行為，并提出了時(shí)滯反饋控制策略。（5）斜拉橋整橋動(dòng)力學(xué)建模理論及特性研究。建立了斜拉橋的多梁-離散彈簧動(dòng)力學(xué)模型和理論以及有限元分析模型，能更準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的多種非線性響應(yīng)，更好地適用于基于性能的橋梁抗震設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)斜拉橋的整橋進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，觀察到了索與索之間的能力交換等新的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。另外，在橋梁抗震隔震(振)研究中，我們提出了一種有負(fù)剛度特性的機(jī)構(gòu)與線性主彈簧并聯(lián)后形成的隔振系統(tǒng)。（6）高維非線性系統(tǒng)理論研究。對(duì)無(wú)限維非線性系統(tǒng)的三類(lèi)典型的靜態(tài)分岔及其控制進(jìn)行了研究，提出了基于雙曲函數(shù)的平均法等非線性動(dòng)力學(xué)的研究方法。通過(guò)這些理論和實(shí)驗(yàn)研究，揭示了大跨度斜拉橋各部分之間相互作用的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，為大跨度斜拉橋的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)提出了基于現(xiàn)代非線性動(dòng)力學(xué)理論的設(shè)計(jì)思想、方法及其分析計(jì)算程序。 2100433B

隨著鋼箱梁的廣泛應(yīng)用，加勁板的力學(xué)行為受到越來(lái)越多的關(guān)注，既有的研究工作均集中于靜力及屈曲方面，由于鋼箱梁加勁板承受各種動(dòng)荷載作用，對(duì)其動(dòng)力行為的研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：第一，運(yùn)用組合板梁?jiǎn)卧ǚ治鲣撓淞禾菪卫呒觿虐?，并?gòu)建了模擬橋面鋪裝層的8節(jié)點(diǎn)實(shí)體板單元，運(yùn)用這兩種單元分析梯形肋加勁板與橋面鋪裝的力學(xué)特性，不僅能滿(mǎn)足計(jì)算精度的要求，同時(shí)亦減少了單元?jiǎng)澐值臄?shù)量，從而提高了計(jì)算效率，值得在工程中推廣；第二，運(yùn)用能量原理分析鋼箱梁加勁板的線性局部振動(dòng)，該方法較之于等效正交異性板法具有更廣的適用性，尤其是計(jì)算高階頻率；第三，對(duì)加勁板線性振動(dòng)進(jìn)行參數(shù)分析，重點(diǎn)討論初始幾何缺陷及焊接殘余應(yīng)力對(duì)其動(dòng)力性能的影響，結(jié)果表明初始幾何缺陷在局部線性振動(dòng)中的影響較小，實(shí)際應(yīng)用中可以不予考慮，而焊接殘余應(yīng)力的影響則比較明顯，不能忽略；第四，通過(guò)對(duì)加勁板單模態(tài)非線性振動(dòng)的參數(shù)分析，得到了參數(shù)變化對(duì)非線性頻率影響規(guī)律；第五，通過(guò)對(duì)加勁板雙模態(tài)非線性振動(dòng)的參數(shù)分析，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)加勁板幅頻特性及振幅-激勵(lì)特性的影響關(guān)系，同時(shí)亦分析了初始幾何缺陷對(duì)加勁板非線性動(dòng)力特性的影響；第六，通過(guò)加勁板振動(dòng)的模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了理論及數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)亦歸納出部分振動(dòng)特性。 本項(xiàng)目結(jié)合理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析，系統(tǒng)地研究了鋼箱梁加勁板的線性及非線性振動(dòng)特性，得到了大量的具有工程應(yīng)用價(jià)值的實(shí)用性成果，可以為鋼箱梁加勁板的動(dòng)力設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制提供依據(jù)。

隨著鋼箱梁的廣泛應(yīng)用，加勁板的力學(xué)行為受到越來(lái)越多的關(guān)注，本項(xiàng)目從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究：第一，考慮加勁板的初始幾何缺陷與焊接殘余應(yīng)力，運(yùn)用能量原理建立加勁板的線性與非線性振動(dòng)微分方程；第二，對(duì)于線性自由振動(dòng)，討論加勁板的初始幾何缺陷、焊接殘余應(yīng)力、阻尼、幾何參數(shù)的變化對(duì)自振頻率和振型的影響；第三，分別考慮加勁板的1:2與1:3內(nèi)共振情況，運(yùn)用同倫分析法研究求解加勁板分別在非共振激勵(lì)、主共振激勵(lì)與參數(shù)激勵(lì)作用下的非線性振動(dòng)，并對(duì)板與肋之間的應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析；第四，制作一定數(shù)量的加勁板模型，考慮四邊簡(jiǎn)支與四邊固定兩種典型的邊界條件，分析加勁板的自由振動(dòng)以及分別在橫向諧波激勵(lì)、面內(nèi)諧波激勵(lì)作用下的受迫振動(dòng)特性。.本項(xiàng)目結(jié)合理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了鋼箱梁加勁板的動(dòng)力行為，以期準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)加勁板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，從而為鋼箱梁加勁板的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制提供依據(jù)。