基于斜拉桥整体分析的拉索非线性振动有限元方法研究

以斜拉桥的整体模型为研究对象，提出能计算参数振动、高阶调和振动等非线性振动的索的有限元单元；在已有研究基础上，形成基于斜拉桥整体分析的拉索非线性振动有限元方法，并编制相应的斜拉桥计算程序。通过单根索的动力试验、斜拉桥的有机玻璃模型试验和实际斜拉桥的动力测试试验，验证并修正所提出的方法；采用所提出的方法进行包括索的非线性振动和主梁、主塔振动在内的斜拉桥整体振动的参数分析，给出各种环境荷载下索的非线性振动对斜拉桥主梁、主塔及斜拉索自身的影响程度。与现有的计算方法相比，避免了在整体分析前需要单独进行的索局部振动数值分析的繁琐过程，可提高计算效率与精度，更重要的在于它不再采用索的局部振动不会影响桥梁主要结构的振动的假定，从而可更精确、方便地进行斜拉桥设计中的动力计算。成果可为采用超长斜拉索的大跨度斜拉桥的有限元分析提供更准确的手段。预计在国内外一流刊物上发表论文3-4篇。 2100433B

随着斜拉桥建设的超大跨特性，超长索的非线性振动对超大跨径斜拉桥的静风稳定性和颤振稳定性及其机理的影响，目前的研究不是十分明确。超长索非线性带来的这些空气动力学问题必须尽快加以解决。本项目的研究则考虑这种非线性振动的影响，首先提出一种多质点索单元力学模型；进行考虑拉索垂度、拉索静风变形等非线性效应的静风稳定性研究；探讨超大跨径斜拉桥静风失稳发生过程及其机理；对拉索自激力特性进行研究，提出拉索自激力数学模型；考虑拉索振动和拉索自激力的影响，改进缆索承重桥梁三维耦合颤振分析程序；超长索的非线性会引起主梁的大攻角变形，因此需要对主梁附加攻角引起的自激气动力非线性效应进行试验研究；考虑主梁非线性气动力进一步改进颤振分析程序；探讨拉索自激力、拉索非线性振动、主梁非线性气动力等因素对超大跨径斜拉桥颤振稳定性的影响，并探讨超大跨径斜拉桥颤振发生过程及其机理。 2100433B

大跨斜拉桥拉索的风雨激振是当前严重的工程问题，在理论上亦有很大难度。本研究首先在模拟降雨和人工模拟水线条件下对拉索模型进行测力和测振的风洞实验，细致观测拉索风雨激振的条件、气动力和振动特性以及影响参数，进一步明确其机制。然后，基于国内外已有成果和上述风洞实验结果，建立更合理的理论分析方法。最后，将成果用于实际桥梁工程。