多支承索杆振动参数识别研究

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随着大量的索杆桥梁不断建设,大量的索杆结构被应用,由于减振器、减振架、支承架、索夹的安装,这些索杆结构呈现多支承的特点,所以叫做多支承索杆结构。多支承索杆结构作为索杆桥梁的“生命线”,其安全性至关重要,同时多支承索杆结构振动参数是索杆桥梁在设计、施工、维修加固安全评估中的重要参数,因此,多支承索杆结构振动参数识别具有重要的现实意义。本文根据多支承索杆结构振动特点,以理论推导、模型试验和实际工程应用相结合的方法,深入系统的研究了多支承索杆结构振动参数识别问题。本文的研究内容包括以下几个部分:(1)提出了多支承索杆横向自由振动频率的解析算法。构造带有中间弹性支承及轴向力的梁模型,综合考虑拉索的中间弹性支承、轴向力、抗弯刚度、端部边界条件等振动影响因素,推导出了带有中间弹性支承的索杆横向自由振动频率的解析公式。从多支承索杆结构试验分析可知,索杆频率计算结果与试验结果偏差较小,最大偏差为0.5%,因此,多支承索杆结构横向自由振动频率的解析算法可行,计算结果可靠。(2)探讨了多支承索杆结构横向自由振动频率与支承刚度的关系。从多支承索杆结构试验分析可知,索杆中间支承刚度与频率呈正比变化,当支承刚度增加40%时,索杆频率增大15%,可见两者互相影响较大,因此,必须考虑索杆中间支承对频率的影响,如斜拉索的减振器及索夹,吊索的减振器与索夹,系杆的支承架等。(3)提出了多支承索杆振动参数识别算法。多支承索杆振动参数识别算法是多支承索杆横向自由振动频率的解析算法的反算法,是个以计算频率与测试频率的差值为0为目标函数的最优化识别方法。该算法是由多支承索杆结构频率识别出其振动参数,如索杆的长度、质量、抗弯刚度、支承刚度、内力等。该算法根据测试频率阶次及未知振动参数个数的不同,分别建立了单参数识别法和多参数识别法:单参数识别法只能识别一个未知振动参数,根据测试频率阶次等于1及超过1两种情况分别建立了单参数单频率识别法及单参数多频率识别法;多参数识别法需要满足测试频率的阶次比未知参数的个数多。(4)提出了索杆截面抗弯刚度的计算方法,同时其计算结果可以为多支承索杆抗弯刚度识别提供迭代初值。索杆是由平行钢丝或者钢绞线组成。索杆截面是由几十根,上百根的钢丝截面构成不规则、不封闭的面域。钢丝圆截面构造特征是以一根钢丝截面为圆心,其它钢丝截面以等六边形的形式分层逐级向外紧密排列。由此索杆截面构造规律为基础,可以分层级计算钢丝圆截面惯性矩,累积得到索杆截面的惯性矩,最后计算出索杆截面抗弯刚度,在此建立了索杆截面抗弯刚度与钢丝根数、直径的计算公式。(5)多支承索杆振动参数识别方法在复杂工程中的应用,对三山西大桥的吊杆及系杆的振动参数进行了识别。三山西大桥的吊杆及系杆内力是桥梁安全评估的重要参数,对于运营中的桥梁,获得索杆内力最佳方法是振动法,而传统的振动法无法精确识别出来主要有两方面的原因:1)其它振动参数的精确度影响内力计算结果的精确度,而其它索杆振动参数的取值非常难,特别是索杆的抗弯刚度及支承刚度;2)传统计算公式是基于端支承索杆结构振动理论推导的应用公式,对于复杂的多支承振动体系,无法准确计算索杆内力。为此,本文根据工程特点,做了如下分析:1)采用多参数识别吊杆振动参数,其中包括吊杆抗弯刚度、支承刚度、内力;2)采用单参数多频率识别吊杆内力;3)采用单参数单频率识别短吊杆及系杆内力。从分析结果可知,多支承索杆振动参数识别方法在工程应用中非常有效,具有非常巨大的应用价值。
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