锚固端约束刚度与预张力对斜拉索动力性能的影响研究

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作为斜拉桥的主要受力构件,斜拉索为典型的柔性构件,桥面的振动容易引起拉索支座的振动进而引起斜拉索的强迫振动以及参数振动。支座位移激励下斜拉索的动力响应具有大位移、大转动、小应变的几何非线性特点,因此动力非线性分析方法的效率和精度对拉索动力响应预测的合理性有重要影响;预拉力作用所产生的应力刚度会增大拉索的抗弯刚度,然而现有分析对此研究不足从而影响了对拉索动力性能的准确预测和分析。工程案例表明,拉索疲劳断裂多发生于锚固端。事实上,锚固端对拉索具有一定转动约束效应,通常设计将其简化为铰支座,这可能导致对拉索在交变运营环境下的疲劳断裂风险估计不足。对于锚固端约束刚度相对较强的短索,忽略转动约束产生的影响将尤为突出。因此,研究斜拉桥短索在支座激励下的动力非线性响应规律、锚固端约束刚度对短索动力特性及其动力响应的影响机制对斜拉索的设计、安全监测具有重要的工程意义。为此,本文首先采用基于刚体准则的梁单元,基于改进拉格朗日(即UL)列式推导建立了柔性结构动力非线性分析的增量迭代法。该方法采用改进的Newmark隐式积分方法,在每一个时间步中插入一个中间时刻,在第二子时间步内采用三点向后差分法,有效地提高了动力非线性分析的稳定性。进一步地,在每个子时间步内创新性地采用刚体准则修正结点不平衡力,从而高效且高精度地求解单元结点力。典型算例分析以及多层框架在地震输入下的分析结果及其与ABAQUS的比较表明,本文提出基于刚准则梁单元的非线性动力分析方法划分单元少、计算精度、效率和稳定性高,适用于考虑抗弯刚度的拉索这类柔性结构的动力非线性分析。进一步地,进行了缩尺斜拉索自由振动和参数振动试验,研究了预拉力对斜拉索动力特性、抗弯刚度及其动力响应的影响。根据试验结果和数值模拟模型,对考虑预拉力作用下斜拉索的抗弯刚度进行了参数识别,结果表明:随着预拉力的增大,拉索抗弯刚度逐渐增大;在一端支座位移激励下,拉索跨中的动力响应幅值最大,向两边逐渐减小;随着激励幅值和激励频率的增大,靠近支座的位置加速度幅值随着激励幅值的增长呈线性增长,而靠近跨中位置处的加速度幅值增长率随着激励幅值的增大而增大。最后,以蔡家嘉陵江大桥的短索为例,对不同锚固端约束刚度和预拉力下的短索进行了前三阶频率参数分析。结果表明,短索的前三阶自振频率随着预拉力的增大而逐渐增大,拉索低阶频率对锚固端转动约束刚度不敏感。考虑不同锚固端转动约束刚度,采用本文提出的动力非线性分析方法对支座横向位移激励下的短索进行了动力响应和内力的参数分析。结果表明,锚固端转动约束刚度主要影响靠近支座的索段,对跨中和四分点等远离支座的索段影响较小;当激励幅值为0.1m时,靠近锚固端的索段在两端铰接下的动位移响应约为两端固接下的1.7倍,两端固接下的剪力幅值比两端铰接下大4kN,而不同锚固端约束下的弯矩幅值差值和轴力幅值差值较小;预拉力越大,不同锚固端转动约束刚度下短索局部索段的动力响应差别越小,弯矩差别越大,剪力差别稳定而轴力差别较小;激励幅值越大,不同锚固端转动约束刚度下短索局部索段的动力响应差别和内力差别越大;当激励幅值为1m时,两端固接下短索局部区域的剪力幅值比两端铰接约大45kN,而两端固接下短索局部区域的弯矩幅值约为两端铰接的6倍。激励频率越大,锚固端转动约束刚度对短索局部索段的动力响应和内力的影响越大,但相对于激励幅值,激励频率对拉索动力响应和内力的影响程度较小。
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