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《哈尔滨工业大学》 2010年
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风作用下大跨斜拉网格结构参数振动及其模态跃迁研究

于岩磊  
【摘要】: 大跨斜拉网格结构是目前应用较为广泛的刚柔混合结构体系之一。然而随着跨度的不断增大,斜拉网格结构的风致敏感特性越为突出,整体结构的动力特性也越为复杂,主要表现在:结构的风致振动具有明显的几何非线性特征,同时伴有拉索的参数振动行为,这种振动特性会改变拉索对网格结构弹性支承的作用,继而会引发结构的模态跃迁现象。在以上突出问题中,拉索的参数振动问题,虽然得到了越来越多学者的关注,但以往的研究,多数采用单索模型,或者仅考虑其中两者(如拉索-空间结构、塔柱-拉索)进行建模,且这些研究绝大多数是进行解析分析和数值求解,其结果缺少相关的试验验证,尤其缺少耦合模型参数振动的试验研究。而对于拉索参数振动所导致的模态跃迁特性,目前还未见有文献进行报道。 综上,区别于已有文献采用单一手段针对单一问题的研究,本文以数值分析、模型试验和有限元仿真为手段,对塔柱-拉索-屋盖结构进行耦合建模,研究风作用下大跨斜拉网格结构参数振动和模态跃迁等一系列关键问题,包含以 下几方面内容: (1)大跨斜拉网格结构风致响应的研究。大跨斜拉网格结构的风致响应分析,首要的一个环节就是风速时程的模拟。本文采用线性滤波器中的自回归AR模型来进行风速时程的模拟,着重解决影响算法精度和可靠性的难点和关键点,并进行程序编制。获得风荷载之后,采用精细积分法进行动力方程的响应求解。 (2)大跨斜拉结构参数振动的数值分析。由于塔柱、拉索、网格结构在振动过程中自振形态间会相互影响,本文采用弹簧构件来模拟塔柱顶端的振动,以悬臂梁构件模拟屋盖结构,建立弹簧-拉索-悬臂梁的精细化振动模型,推导考虑拉索垂度效应和不考虑拉索垂度效应时的精细化模型耦合运动方程,并采用自适应Runge-Kutta算法求解此方程,研究在考虑垂度效应和不考虑垂度效应情况下的拉索参数振动特性及各种影响因素的作用规律。此外,依据伽辽金原理定义振型影响系数,来探讨性研究拉索高阶振型对参数振动的影响。 (3)大跨斜拉结构参数振动的模型试验研究。依据数值分析部分所阐述的精细化模型,设计制作了弹簧-拉索-悬臂梁模型,研究实际物理模型结构的振动特性及其发生参数振动的条件,并对拉索参数振动各种影响因素的作用规律进行模型试验验证。进一步研究多根索共同斜拉悬臂梁结构时,拉索的参数振动特性,并与单索斜拉悬臂梁结构模型的参数振动结果进行比对分析,以考察实际结构中多根索斜拉屋盖结构共同作用下是否仍会发生参数振动现象。 (4)大跨斜拉网格结构参数振动的有限元仿真研究。对大跨、复杂结构静、动分析时,有限元仿真技术因具有高效性、可重复性和低成本的特点而成为一种重要的手段。本文以某大跨斜拉单层扇贝网壳结构为例,对大跨斜拉网格结构在有限元建模过程中遇到的相关问题进行探讨。之后,研究该结构中拉索的参数振动特性和各种影响因素的作用规律,并对试验模型中拉索的参数振动现象进行有限元仿真分析。 (5)大跨斜拉网格结构模态跃迁的理论分析。由于拉索的参数振动会实时地改变网格结构在拉索位置处的支承边界条件和受力情况,会对网格结构的动力特性产生影响,该影响可导致结构的模态跃迁现象。在已有矩阵摄动法基础上,提出可以用于分析密集低频结构模态跃迁机理的简化摄动法,并就简化摄动法在应用过程遇到的两个问题——模态间密集度的量化判别和密集低频结构模态跃迁前后模态对应关系的判定依据,分别提出频率差方因子和模态投影相关差因子予以解决。
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