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索—梁组合结构非线性动力学实验研究

周海兵  
【摘要】: 索-梁组合结构是近年来提出的一种新型结构体系,该结构形式简洁,受力明确,充分利用了索的抗拉和梁的抗压弯性能,在土木工程中有着广泛的应用。关于柔性索和弹性梁的理论和实验研究非常广泛和深入,而把柔性索和弹性梁组合成为索-梁体系进行研究还是一个新型课题。大跨度索结构本身的大变形、大运动以及垂度等因素的影响,其非线性性质与生俱来。拉索的振动与梁紧密相关,并且相互作用,共同影响着整个结构体系的安全性、舒适性和使用寿命。因此研究索-梁组合结构非线性振动的模式和机理具有十分明显的理论意义和工程背景。 索-梁组合结构非线性动力学实验是一项极富挑战性的研究,本文主要研究内容如下:第1章综述了索、梁及索-梁组合结构非线性动力学实验研究现状,总结了国内索-梁组合结构非线性动力学理论研究的进展,介绍了本文的研究目的、主要工作及创新成果。第2章利用Hamilton变分原理,推导了考虑弯曲刚度、垂度及几何非线性的斜拉索三维非线性振动方程,根据边界条件约化为二维系统,分别考虑了平面运动和面内面外耦合运动可能存在的内共振模式,并分析了弯曲刚度对斜拉索动力学特性的影响。第3章利用索-梁组合结构连接条件和边界条件,建立了索-梁组合结构的平面动力学方程。分析索-梁组合结构的内共振特性,分叉与稳定性等。第4章主要介绍了索-梁组合结构非线性动力学实验模型的设计、计算、实验原理及测试过程。第5章实验研究了柔性悬臂梁和弹性斜拉索的参数振动,分别得到了梁和索的响应幅值-激励频率曲线和响应幅值-激励幅值曲线,验证了跳跃现象等非线性动力学特性,并作了数值模拟。第6章实验研究了集中质量、配重分布方式、移动质量对斜拉索参数振动特性的作用。在一定条件下,斜拉索面内面外发生耦合运动。通过对索-梁组合结构的参数共振进行实验研究,得到了相应的响应曲线。索发生主参数共振时响应幅值随激励幅值非线性递增,基本参数共振时产生叉形分叉,越过临界点后随激励幅值非线性递增。频率响应曲线出现了跳跃,激励幅值的变化导致最大响应幅值对应的激励频率有所偏移。实验研究表明索和梁之间存在强烈的耦合作用,这正是组合结构的本质特性。索参数共振空间运动性态非常丰富,包括单气圈运动和双气圈运动。主共振情况下参数共振没有明确的界限。最后观测到了由准周期环面破裂导致的混沌运动。数值仿真结果与实验结果基本吻合。第7章研究了单梁双索组合结构的非线性振动,理论分析和实验结果表明系统存在多种内共振模式。这为进一步研究斜拉桥打下基础。 本文理论分析了弯曲刚度对斜拉索动力学特性的影响,实验研究了索-梁组合结构非线性动力学特性,验证了跳跃等非线性动力学现象,斜拉索面内面外耦合运动,观测到了由准周期环面破裂导致的混沌运动,发现了索参数共振空间非常丰富的运动性态。非线性动力学实验研究揭示了索-梁组合结构的本质特性,梁对索的作用影响很大,而索对梁的作用影响也不可忽视,索和梁之间存在强烈的耦合作用。索-梁组合结构非线性动力学实验在国内尚属首次,研究结论对于研究索-梁组合结构的非线性动力学理论发展、振动控制与应用具有一定的意义。


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