随机风、车辆荷载下斜拉桥索-梁相关振动的共振条件及其对拉索可靠性的影响

For cable-stayed bridge, vibration of cables can be induced by boundary displacement excitation due to the vibration of the beam and tower, thus the safety of bridge structure is likely to be threatened. In most cases, stochastic wind and vehicle loads are the excitation sources, we named this sort of vibration as “Cable-beam vibration”. In this investigation, firstly, the nonlinear vibration of a single cable under boundary displacement excitation will be studied in 3 dimensional space, the calculation method will be established. Secondly, on the basis of the research results of the interdisciplines in bridge engineering, the mechanical model and simulation algorithm will be developed, in which the wind-vehicle-bridge coupled vibration, aerodynamic load on cable, nonlinear vibration of cable-stayed bridge can be considered, and the nonlinear dynamic analysis system will be established. By building the models of actual cable-stayed bridges, in 3 dimensional space, the cable-beam vibration characteristics of cable-stayed bridges under stochastic wind and vehicle loads will be studied. The resonance conditions of cables will be clarified, and the control measures will be discussed. Lastly, in terms of an actual cable-stayed bridge, according to the data of wind field and traffic flow in the particular area, the effect of the cable-beam vibration on the dynamic reliability of the cables during the operations will be investigated based on theory of reliability. The research results can be referred to the design and safety assessment of cable-stayed bridges.

对于斜拉桥，主梁、桥塔的振动会导致拉索在端点位移激励作用下发生振动，从而可能对桥梁结构的安全造成威胁，随机的风荷载、车辆荷载通常为其激励源，我们将这种振动命名为“索-梁相关振动”。本课题拟首先针对单根拉索在端点位移激励作用下3维空间非线性振动开展研究，建立计算方法。然后，以桥梁工程领域交叉学科的研究成果为基础，拓展、建立一套考虑风-车-桥耦合振动、风对拉索动力作用、斜拉桥结构非线性振动效应的力学模型与模拟算法，构建全桥非线性振动计算系统。根据实际斜拉桥的设计参数，研究在随机风、车辆荷载下3维空间中斜拉桥的索-梁相关振动特性，明确拉索发生共振的条件并讨论其控制措施。最后，针对某实际斜拉桥，依据该桥所在区域的长期风场数据与交通数据，基于可靠度计算理论，研究在斜拉桥运营期间，索-梁相关振动对拉索动力可靠性的影响。研究成果可以为斜拉桥的设计与安全性评估提供参考。

将斜拉桥拉索在主梁、桥塔的端部位移激励带动下发生的振动定义为“索-梁相关振动”，研究了在风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动特性及其对拉索可靠性的影响。.提出了基于流动坐标系(Co-rotational Formulation)使用杆、梁单元的3维非线性Newmark-β有限元动力时程积分方法。该方法建立了针对结构内力、外力考虑几何非线性的隐式动力平衡迭代模式。验证表明，该方法具有良好的可靠性与稳定性。.以实际大跨度铁路斜拉桥（天兴洲大桥）为研究对象，分析了全桥在外激励、列车作用下的索-梁相关振动特性。结果表明，斜拉桥中拉索的非线性振动主要是低频振动，在理想简谐外激励作用下，拉索容易发生1:1的大幅主共振，2:1参数共振不容易发生，长索相对短索更容易发生共振。拉索发生共振时体现了明显的非线性振动性质，能量在各个拉索与主梁之间传递。列车作用不会使拉索发生大幅共振。.以平潭海峡大桥为研究对象，建立了斜拉桥全桥精细3维计算模型，研究了斜拉桥在风、列车作用下的索-梁相关振动特性，结果表明，单索在微小的端部位移激励下可能发生共振，但在大跨度斜拉桥中，由于主梁的规模较大，全桥1阶频率与拉索的1阶频率差别较大的情况下，日常运营状态下，风、列车作用下大跨度铁路斜拉桥发生的索-梁相关振动不会导致拉索发生大幅共振。.基于可靠度理论，研究了平潭海峡大桥在风、列车作用下，索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。结果表明，在日常运营中，风、列车作用下索-梁相关振动是拉索疲劳失效概率增加的主要原因。直接作用在拉索上的风力对拉索可靠性影响较小，列车作用对拉索可靠性的影响较大。.在本研究的算法基础上，根据核心计算原理的一致性，提出了有限元(FEM)-向量式有限元(VFIFE)统一算法框架。为进一步研究桥梁结构在极端荷载下的非线性动力行为建立了基础。.本课题的研究方法与研究结果可以为大跨度斜拉桥的计算、分析、设计提供参考。