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桅杆结构的动力稳定性分析

何艳丽  
【摘要】:桅杆结构是由细长的杆身和沿高度斜向张拉的纤绳组成。桅杆结构由于张拉纤绳的支撑,与直立式塔架结构相比,因具有明显的经济因素而得到工程界的普遍关注。但由于对此结构复杂的振动机理还未完全揭示,桅杆结构破坏发生的比例之高在土木工程界也是少见的。根据所收集的近百个桅杆结构破坏实例的资料来看,其中约50%左右桅杆破坏是因风、冰雹、裹冰等荷载引起的,其中只有极少数是在飓风等特大风载下破坏,大多数的破坏都是在风载并不是很大的情况下,由于振动位移过大引起桅杆结构的失稳导致的破坏。诱发桅杆结构运动失稳的因素很多,从理论分析和一些实际破坏的资料来看,桅杆结构的内共振及裹冰驰振是诱发失稳的主要原因。本文对这两种情况下桅杆结构的稳定性从理论分析和计算算例进行了详细的分析。 首先本文利用李亚谱诺夫第一近似原理推导了任意动力荷载作用下弹性体系结构的动力稳定性分析准则,建立了桅杆结构非线性动力计算模型,根据结构的运动时程,把动力稳定准则表示为用结构的能量变化来判定。从经典算例分析和实际桅杆结构的动力稳定性分析中可以看出,此准则不仅准确可靠、简单可行,对于大型的工程结构,此判断准则显出它特有的优越性。并在总结桅杆结构失稳的特性的基础上,总结其动力失稳规律,提出了更简便的位移准则。 对桅杆结构参数振动的分析,本文将桅杆结构的运动分解为整体运动和局部运动两部分,整体运动为纤绳当作拉杆单元的三维结构物的运动,局部运动为两端固定的拉索的运动,然后用拉格朗日运动方程合并这两种运动,得到了杆身和纤绳线性、二阶非线性及三阶非线性耦合的运动方程,并在进一步的动力稳定性分析中得出:由内共振引发的纤绳的大幅振动,由于耦合作用导致整个桅杆结构的位移增大,极易导致桅杆结构的动力失稳。 在空气湿度较大的地区,当气温急剧下降时,桅杆结构上的架空线、纤绳和杆身表面都会出现裹冰现象。纤绳裹冰后,极易由于负的空气动力阻尼引起结构发生驰振现象,导致桅杆结构的动力失稳甚至倒塌。本文在邓哈-托肯临界风速判别式的基础上,推导了驰振临界风速与相应来流攻角的关系式,更能精确地计算出裹冰纤绳发生驰振的临界风速,同时也是判断裹冰的桅杆结构是否失稳的临界条件。 在同济TJ-2 风洞试验室分别对格构式和筒式两个桅杆模型进行了动力稳定性实验,得出了桅杆的一些动力特性及动力失稳的特性,并对试验模型进行了理论分析,使理论分析与试验研究相互印证。


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