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作者：金波湖南大学

学位级别：硕士

全文共分五章。第一章对非完整动力学研究的有关现状进行了综合评述;第二章研究了非完整系统虚位移关系的不定性问题与非线性问题;第三章比较研究了一般非完整系统的Chetaev模型和Vacco模型;第四章研究了本质线性非完整系统的Hamilton原... 详细信息

全文共分五章。第一章对非完整动力学研究的有关现状进行了综合评述;第二章研究了非完整系统虚位移关系的不定性问题与非线性问题;第三章比较研究了一般非完整系统的Chetaev模型和Vacco模型;第四章研究了本质线性非完整系统的Hamilton原理;第五章给出了本文的结论与有关研究的展望。本文首次提出了本质线性非完整约束和本质非线性非完整约束的概念，并将非完整系统区分为本质线性和本质非线性两种不同的情况。本文研究了非完整动力学中使不定性问题确定化的交换关系和将非线性问题线性化的虚位移定义，首次证明并给出了在非完系统中各种虚位移定义与交换关系的合理适用范围，指出完整动力学与本质线性非完整动力学在研究方法上具有相同性。本文比较研究了一般非完整系统的Chetaev模型和Vacco模型，首次从力学和数学的角度论证了这两种模型在完整系统和本质线性非完整系统中的合理性和等价性;同时给出了在本质非线性非完整系统中，Chetaev模型和Vacco模型不等价的根本原因，是由本质非线性非完整约束的不确定性非线性本质所导致的;指出在本质非线性非完整系统中，Chetaev模型是一种线性近似的结果，Vacco动力学方程虽然不满足约束力的理想性质，但是为我们研究本质非线性非完整约束的物理实现提供了有益的思考。同时我们必须寻求新的、合理的方法来研究本质非线性非完整动力学。本文将Hamilton原理应用到本质线性非完整系统，首次证明了在本质线性非完整系统中，Hamilton作用量为稳定的作用量;将完整系统和本质线性非完整系统的Hamilton原理从形式和本质上统一起来。

关键词：非完整动力学 Appell-Chetaev定义 Vacco动力学 Hamilton原理

大跨度斜拉钢管混凝土拱桥动力学及拉索振动研究

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大跨度斜拉钢管混凝土拱桥动力学及拉索振动研究

作者：杨相展湖南大学

学位级别：硕士

大跨斜拉钢管混凝土拱桥作为一种新型的组合结构桥梁,由于结合了斜拉桥和拱桥的优点,已经运用到实际工程中,但其理论研究才刚刚起步,大跨斜拉拱桥与大跨拱桥、斜拉桥一样,是一种柔性结构,应该重视其动力问题,地震、风振、车振等动力问... 详细信息

大跨斜拉钢管混凝土拱桥作为一种新型的组合结构桥梁,由于结合了斜拉桥和拱桥的优点,已经运用到实际工程中,但其理论研究才刚刚起步,大跨斜拉拱桥与大跨拱桥、斜拉桥一样,是一种柔性结构,应该重视其动力问题,地震、风振、车振等动力问题是该类桥梁所无法回避的,尤其是斜拉拱桥的主要承力构件之一的斜拉索,由于其大柔度、小质量和小阻尼等特点,极易发生振动,准确分析斜拉拱桥及斜拉索的动力特性是斜拉拱桥设计的重要工作之一。本文以正在修建的某斜拉钢管混凝土拱桥(湘潭市湘江四大桥)为背景,运用通用有限元软件ANSYS对其进行动力分析,主要开展了如下的工作:1、建立斜拉拱桥空间有限元模型进行自振特性分析,并对钢管混凝土拱桥、斜拉提篮钢管混凝土拱桥和斜拉钢管混凝土拱桥的自振特性进行了对比分析。对斜拉拱桥自振特性进行参数分析,分别考虑了不同规范、含钢率、拱肋钢管直径、混凝土弹性模量、横撑布置、拱肋段混凝土长度、吊杆形式对自振特性的影响,最后考虑了斜拉索局部振动对自振特性的影响。2、应用动态时程方法对斜拉钢管混凝土拱桥在一维及二维地震荷载输入下的地震响应性能进行了分析,讨论了竖向地震分量对地震响应性能的影响,对斜拉钢管混凝土拱桥进行了抗震性能评价。3、首先利用有限元分析方法,得出了斜拉索发生参数共振的可能,然后建立了斜拉拱桥拉索-桥面耦合参数振动模型,即索-梁组合结构模型,推导了索-梁组合结构非线性运动方程,利用多尺度方法研究斜拉索的参数共振和亚谐波共振,并对稳态解的稳定性进行了分析。最后对斜拉索参数共振和亚谐波共振进行数值模拟,得到不同阻尼及不同初始条件下的拉索时间历程曲线。

关键词：斜拉钢管混凝土拱桥自振特性地震响应斜拉索参数共振

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索—梁组合结构的建模与非线性有限元分析

索—梁组合结构的建模与非线性有限元分析

作者：王信湖南大学

学位级别：硕士

索结构由于自身的轻质、柔软性和小阻尼,以及初始拉伸和弯曲,容易在外界干扰下产生复杂的运动形态,当其固有频率与连接梁的固有频率接近或成一定得比例时,容易引起系统的共振。在工程实际中,通过对已经建成或者正在建的斜拉拱桥和斜拉... 详细信息

索结构由于自身的轻质、柔软性和小阻尼,以及初始拉伸和弯曲,容易在外界干扰下产生复杂的运动形态,当其固有频率与连接梁的固有频率接近或成一定得比例时,容易引起系统的共振。在工程实际中,通过对已经建成或者正在建的斜拉拱桥和斜拉桥的观测表明,在微风细雨的情况下,个别拉索有时会发生十分剧烈的大幅振动,这种振动对桥梁的安全性与耐久性产生了很大的危害,它可能引起斜拉索的疲劳,在锚固接合处产生疲劳裂纹,破坏拉索的防腐系统,严重时还会造成拉索的失效。拉索的振动无疑会引起行人的不舒适感和对桥梁安全性的怀疑.所以有必要对索梁组合结构进行更加深入的研究。基于上述事实,本文的主要研究内容如下:(1)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.(2)建立了索-梁组合耦合系统的数学模型,并利用Hamilton原理建立了索-梁耦合系统的运动偏微分方程,并对上述方程进行了一维约化处理。(3)利用Galerkin方法将索-梁组合结构的运动微分方程组整理为二阶常微分方程组,利用多尺度法给出索梁组合结构发生内共振的频率比,讨论了索和梁之间几种频率比下的内共振解的稳定性.针对频率比为2的情形,得到了拉索参数共振的幅幅响应曲线,并数值研究了阻尼对拉索参数振动的影响。讨论了索和梁之间几种频率比下的内共振解的稳定性。(4)利用Ansys建立了的索梁组合结构的力学模型,分析得到了主共振及亚谐波共振下拉索的时程响应曲线,并对结构进行了谐响应分析。

关键词：索-梁结构非线性动力学非线性有限元亚谐波共振多尺度法

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斜拉索的非线性动力学分析

斜拉索的非线性动力学分析

作者：王连华湖南大学

学位级别：硕士

本文对弹性斜拉索的非线性动力学进行了研究。在考虑几何非线性情况下，利用Newton方法建立了斜拉索的非线性动力学方程。利用约化方法、多尺度法对斜拉索面内和面外的耦合振动进行了分析，发现在参数满足一定条件时，面内和面外的振动... 详细信息

本文对弹性斜拉索的非线性动力学进行了研究。在考虑几何非线性情况下，利用Newton方法建立了斜拉索的非线性动力学方程。利用约化方法、多尺度法对斜拉索面内和面外的耦合振动进行了分析，发现在参数满足一定条件时，面内和面外的振动就会发生耦合。在第四章中，研究了斜拉索在可动边界条件下的单自由度响应，在这章中，首先利用边界条件，建立了斜拉索在可动边界条件下的简化模型。接着重点分析了边界条件以及平方非线性项对斜拉索的非线性动力学性质的影响，同时还分析了斜拉索从周期运动经过倍周期分叉通向混沌的道路。在第五章中，针对第四章得到的结论，用Melnikov方法研究了斜拉索的混沌运动，并对斜拉索的混沌运动进行了数值模拟。

关键词：斜拉索,非线性,约化方法,分叉,混沌

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大跨度斜拉钢管混凝土拱桥的稳定性分析

大跨度斜拉钢管混凝土拱桥的稳定性分析

作者：冯锐湖南大学

学位级别：硕士

大跨度斜拉钢管混凝土拱桥是一种新型的桥梁结构形式,它将斜拉桥与拱桥有机的结合起来,不但展示了拱桥和斜拉桥各自的特点,而且使得两种桥型的优点得到了相互补充。拱上作用的斜拉索不但使桥梁更加美观,而且分担了拱肋承担的荷载,提高... 详细信息

大跨度斜拉钢管混凝土拱桥是一种新型的桥梁结构形式,它将斜拉桥与拱桥有机的结合起来,不但展示了拱桥和斜拉桥各自的特点,而且使得两种桥型的优点得到了相互补充。拱上作用的斜拉索不但使桥梁更加美观,而且分担了拱肋承担的荷载,提高了拱肋的整体刚度,增强了全桥的稳定性。然而,对于大跨度桥梁而言,包括大跨度斜拉拱桥,稳定性问题始终是不可避免的,尤其是拱肋的面外刚度要远小于面内的刚度,所以,面外的稳定问题是必须考虑的问题。本文首先从理论上探讨了斜拉拱结构的稳定性,分成面内和面外两种情况来对比分析了斜拉拱组合结构与拱结构的稳定临界荷载,总结出拉索对稳定性的影响。然后以正在修建的湘潭市湘江四大桥这一斜拉拱桥为工程背景,运用大型通用有限元软件ANSYS对其进行了稳定性分析。在线弹性特征值分析中,主要计算了考虑恒载、风载、以及各种不利活载作用下的稳定安全系数以及失稳模态;在考虑非线性影响的稳定分析中,只考虑了恒载,主要是来分析对比几何非线性、双重非线性下的稳定安全系数与特征值稳定安全系数的差别。最后,本文还通过有限元模型的分析,就拱肋自身刚度、横撑的布置形式和布置位置、拱肋内倾角、宽跨比、吊杆形式、桥面刚度、斜拉索等方面对该桥的整体稳定性的影响展开讨论和研究。

关键词：斜拉钢管混凝土拱桥稳定性稳定安全系数有限元非线性

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斜拉拱桥力学性能分析

斜拉拱桥力学性能分析

作者：金怡新湖南大学

学位级别：硕士

斜拉拱桥作为一种全新的结构体系,兼备斜拉桥和拱桥的优点,而又各有不同,结构体系更为复杂,目前该桥型国内外尚无先例,其理论研究也才刚刚起步。本文结合工程实际,以在建的湘潭市湘江四大桥为工程背景,在斜拉拱桥的静力特性、极限承载... 详细信息

斜拉拱桥作为一种全新的结构体系,兼备斜拉桥和拱桥的优点,而又各有不同,结构体系更为复杂,目前该桥型国内外尚无先例,其理论研究也才刚刚起步。本文结合工程实际,以在建的湘潭市湘江四大桥为工程背景,在斜拉拱桥的静力特性、极限承载力、抗震性能等方面进行了分析探讨,具体工作和研究结果如下:(1)首先总结几种常用桥型面内自振基频的近似公式,利用能量法推导了斜拉拱桥面内自振基频的简化计算公式,并分别考虑了索的作用位置、索的数量、拱的矢跨比等结构参数对面内自振基频的影响。(2)利用大型通用有限元软件ANSYS建立了湘潭市湘江四大桥的三维有限元模型,分别考虑线弹性、几何非线性和材料非线性对斜拉拱桥的结构内力进行计算,并分析了索面形状、主拱肋含钢率及斜拉索索力等参数对其结构内力的影响。(3)考虑双重非线性对湘潭市湘江四大桥进行极限承载力分析,并探讨斜拉索索力、拱肋初始缺陷、拱肋材料强度及横撑刚度等参数对其极限承载力的影响。(4)分别应用反应谱方法和动态时程分析方法,在不同方向地震激励输入下,对湘潭市湘江四大桥的抗震性能进行分析。

关键词：斜拉拱桥静力分析极限承载力抗震

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悬索的模态作用研究

悬索的模态作用研究

作者：李永鼎湖南大学

学位级别：硕士

索结构已广泛应用于土木工程、海洋工程、电气工程等领域,但由于其跨度大、柔度大、质量小、阻尼小等特点极易发生大幅振动,准确分析索结构的动力特性就显得尤为必要。索振动的二阶偏微分控制方程既含有二次非线性项又有三次非线性项,... 详细信息

索结构已广泛应用于土木工程、海洋工程、电气工程等领域,但由于其跨度大、柔度大、质量小、阻尼小等特点极易发生大幅振动,准确分析索结构的动力特性就显得尤为必要。索振动的二阶偏微分控制方程既含有二次非线性项又有三次非线性项,索的固有频率随弹性-几何参数变化,这使得模态之间很容易耦合而影响索的运动。模态的相互作用会使能量在不同模态之间转换。这样,低阶振型有可能通过模态作用被激发,产生大的运动。鉴于此,本文针对两端铰支、面内外受谐波激励的悬索进行了以下研究:1.给悬索施加三阶超谐波激励,考虑面内第一阶对称模态和面内第三(四)阶对称模态间的1:3内共振,利用离散法和多尺度法对悬索的运动方程和边界条件进行空间和时间上的离散,得到了系统的平均方程和悬索挠度的二阶近似解。发现超谐波共振时,激励幅值对悬索挠度有着直接的影响。随后利用数值方法对张拉索和松弛索对应的非线性动力系统分别进行了分岔分析,研究了垂跨比对悬索运动的影响。2.给悬索施加主共振激励,同时考虑面内第一阶对称模态与面内第三阶对称模态的1:3内共振和面内第三阶对称模态与面外第五阶模态的1:1内共振,用直接法对悬索的面内外运动方程求解,得到了系统的平均方程与悬索挠度,发现面外模态对悬索挠度的影响存在于二阶项,并且主共振时,激励幅值并不直接影响悬索挠度。随后用数值方法对悬索平均方程的分岔和混沌进行了数值模拟,并着重讨论了混沌产生和消失的途径。

关键词：悬索非线性模态作用分岔混沌

中承式钢管混凝土拱桥的结构体系与力学性能研究

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中承式钢管混凝土拱桥的结构体系与力学性能研究

作者：张辉湖南大学

学位级别：硕士

近几十年来，随着科学技术的进步，国民经济的蓬勃发展，国家基础设施建设规模的不断扩大，我国桥梁建设取得了举世瞩目的成就，桥梁建筑技术也有了很大的进展。钢管混凝土拱桥由于承载力高、跨越能力强、抗震性能好、施工方便而得到迅... 详细信息

近几十年来，随着科学技术的进步，国民经济的蓬勃发展，国家基础设施建设规模的不断扩大，我国桥梁建设取得了举世瞩目的成就，桥梁建筑技术也有了很大的进展。钢管混凝土拱桥由于承载力高、跨越能力强、抗震性能好、施工方便而得到迅速发展。同时也是我国自1990年以来应用发展最快的一种桥型。随着钢管混凝土结构理论的不断发展和完善，钢管混凝土拱桥也向更大跨径、更大规模方向发展，同时应用区域和范围也不断扩大，目前已建成的钢管混凝土拱桥的最大跨度已超到450m。与钢管混凝土拱桥的迅速发展相适应，近年来，对钢管混凝土拱桥的理论研究开展了很多有益的工作，但远远跟不上它的发展。因此对钢管混凝土拱桥的动力学进行研究是桥梁工程中的一项十分紧迫的工作。本文针对中承式钢管混凝土拱桥的结构体系以及静动力学性能进行了研究，其目的是为钢管混凝土拱桥设计理论的发展提供理论基础。具体研究主要包括以下几个方面：(1)按照有、无水平推力分类，分别讨论了有推力结构体系、无推力结构体系和刚架系杆拱的受力特点以及适应场合。同时对中承式无推力钢管混凝土拱桥的受力特性进行研究。讨论了吊杆的分类以及一般特征;分别研究了系杆的内力以及拱肋横向结构形式。(2)应用弹性稳定的分析方法，计算了茅草街大桥在自重恒载作用下的稳定安全系数，然后对茅草街大桥的整体稳定性的影响因素进行了探讨，研究了拱肋的宽跨比、横撑、吊杆布置形式、矢跨比和拱肋内倾角对大桥稳定性的影响。(3)利用ANSYS得到了茅草街大桥的固有频率与固有振型，并分析了不同振型的特点。讨论了含钢率、内倾角、矢跨比、横撑以及宽跨比对固有频率与固有振的影响。最后利用反应谱原理研究了茅草街大桥的抗震性能。(4)分析了有边拱体系大跨度钢管混凝土拱桥在施工过程中边拱的结构受力特点，探讨了缆索吊装施工过程中边拱直接作为主拱吊装段的平衡重所体现出的结构受力特点和经济性能方面的优点。以湖南茅草街大桥缆索吊装施工过程为例，分析了边拱在施工过程中的局部应力分布、整体稳定性和边拱作为主拱吊装平衡重所体现出的优势，为边拱在施工过程中作为平衡部分的一类桥梁提供参考。

关键词：中承式钢管混凝土拱桥动力学地震响应

斜拉拱桥模型试验模态分析及拉索对模态参数影响研究

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斜拉拱桥模型试验模态分析及拉索对模态参数影响研究

作者：苏德沛湖南大学

学位级别：硕士

斜拉拱桥是以斜拉桥和拱桥为基础的新型组合桥,它的整体结构力学性能特别是动力性能非常复杂。而动力性能是进行桥梁结构振动响应、抗震和抗风稳定性分析的基础,是桥梁结构动力学问题的重要内容。对于如此复杂的新型结构,仅仅根据理论... 详细信息

斜拉拱桥是以斜拉桥和拱桥为基础的新型组合桥,它的整体结构力学性能特别是动力性能非常复杂。而动力性能是进行桥梁结构振动响应、抗震和抗风稳定性分析的基础,是桥梁结构动力学问题的重要内容。对于如此复杂的新型结构,仅仅根据理论研究是不够的,必须在理论研究的同时,通过试验研究来验证理论的正确性。不仅如此,识别出系统的模态参数,还可以为结构的损伤识别和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。本论文在此背景下对斜拉拱桥模型进行了试验模态分析,主要做了以下工作:(1)利用相似理论分析了湘潭湘江四桥模型的动力相似准则,利用模态分析理论得出各模态参数的相似比,进一步探讨了实际模型在近似满足动力相似下的相似关系,得到了理想与实际两种条件下各模态参数的相似比值。然后用有限元软件ANSYS按照相似比的不同分别建立三种模型:实桥,理想模型,实际模型。算得它们的模态参数和相似比值,验证前述模态参数相似关系的正确性。(2)按照试验模态分析的步骤,选择合适的激振方式和传感器并对系统进行校准后,用模态分离技术激振、变时基方式采样,得到各个测点的时程信号。对FFT变换得到的频域信号进行传递函数估计,然后用频域法拟合出系统的模态参数。(3)对传递函数进行逆傅立叶变换(IFFT),得到脉冲响应函数,用时域方法特征系统实现算法(ERA)编制程序XLGQ-ERA计算出模态参数,并与频域法得到的模态频率做比较验证。用模态判定准则(MAC)对振型进行模型验证。(4)按8种工况分别做试验模态分析:改变拉索索力,研究索力变化对结构模态参数的影响;依次减少拉索根数,直到全部拉索去掉,研究拉索有无和拉索密疏对模态参数影响。并根据拉索对模态参数的影响,提出了建议。

关键词：斜拉拱桥模型试验试验模态分析模态参数识别拉索

车辆荷载作用下斜拉拱桥动力响应分析及模型车振试验研究

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车辆荷载作用下斜拉拱桥动力响应分析及模型车振试验研究

作者：朱克兆湖南大学

学位级别：硕士

随着交通事业的蓬勃发展,桥梁结构不断向大跨径和轻型化方向演变,而车辆荷载以及行车速度也在不断的提高,通过桥梁的交通量日益密集,这些变化使得车辆荷载对公路桥梁结构的动力效应变得的更加显著。大跨度斜拉钢管混凝土拱桥作为一种近... 详细信息

随着交通事业的蓬勃发展,桥梁结构不断向大跨径和轻型化方向演变,而车辆荷载以及行车速度也在不断的提高,通过桥梁的交通量日益密集,这些变化使得车辆荷载对公路桥梁结构的动力效应变得的更加显著。大跨度斜拉钢管混凝土拱桥作为一种近年来出现的新型组合桥梁,其结构形式新颖独特,兼备了斜拉桥与拱桥的优点,目前在实际工程中已经得到了应用,但对其理论的研究尚处于起步阶段。有鉴于此,本文以湘潭市湘江四大桥为背景,就斜拉拱桥在车辆荷载作用下的动力响应问题进行分析探讨,主要开展了如下工作:(1)利用大型通用有限元软件ANSYS建立了斜拉拱桥的空间有限元模型,在考虑桥面平整度的前提下,分别针对桥面障碍、行车速度、车辆载重、阻尼和有无斜拉索的情况,对斜拉拱桥在车辆荷载作用下的动力响应进行了分析计算,探讨了冲击系数的变化趋势;(2)结合相似第二定理和量纲分析法对斜拉拱桥模型进行动力相似分析,建立了适合于车振试验需要的动力模型结构;通过斜拉拱桥模型进行车辆振动试验,测得结构实际的频率、振型和冲击系数,并与理论计算结果进行对比。分析结果表明,桥面平整度、桥面障碍、行车速度、车辆载重、阻尼等均对结构的动力响应影响很大,特别是桥面障碍;斜拉索的存在将大大改善1/4跨拱肋的在车振时的受力性能。

关键词：斜拉拱桥车振冲击系数模型试验