基于索-梁结构的斜拉桥非线性振动仿真研究

本文建立了索-梁结构的有限元模型,对斜拉桥线性和非线性振动问题进行研究.首先对结构进行模态分析,发现结构振动表现出全局模态,局部模态以及混合模态,且索梁两者之间固有频率相互影响,对低阶频率影响较大,对高阶频率影响较小.其次,应用有限元软件对索-梁结构的自由振动和强迫振动进行仿真研究.结果表明:整个自由振动过程中频率有先增大后减小的趋势,且最终小于真实频率;在强迫振动中,观察到了丰富的非线性振动现象,包括索的亚谐波共振和内共振,与以往的实验和理论研究结果定性上得到验证;为斜拉桥全桥非线性动力学分析提供参考.

桥梁工程中动力学与控制研究进展

土木工程中的动力学与控制问题不仅涉及各个二级学科的多个研究方向,同时也与动力学与控制学科的各研究方向息息相关,涉及面太宽.因此,本专刊将范围聚焦到了桥梁工程中的动力学与控制问题.简要回顾了桥梁的局部构件和整体模型的自由振动,不同荷载作用下的动力学问题,特别是非线性振动问题,以及拉索的振动控制研究.最后为进一步的研究提出了一些想法.

工程结构多刚度尺度分析与模态理论

当前工程结构设计大多基于成熟的线性振动理论,未综合考虑非线性、多尺度等特性的影响,导致各类工程振动问题频发,减振措施失效.首先,本文以质量弹簧系统为例,对系统刚度比和质量比等关键参数开展分析,指出刚度比对系统模态具有显著影响;再者,简述大跨桥梁动力学研究现状,从系统全局动力学角度,根据非线性动力学分析和有限元分析,提出工程结构多刚度尺度概念,分析并指出多刚度尺度耦合系统的全局模态、局部模态和混合模态基于不同刚度尺度的定义.为建立桥梁全局动力学模型和理论,桥梁非线性动力学研究奠定基础.

多跨下承式拱桥面内全局动力学理论与自由振动研究

为弥补高维工程结构有限元分析对结构参数优化设计等的局限,本文基于欧拉伯努利梁理论与传递矩阵法,研究大跨度拱桥面内自由振动问题.首先,基于多跨拱桥的刚度分析,建立系统的全局动力学模型.其次,基于传递矩阵法建立系统的全局动力学理论,最后,以一座四跨下承式拱桥的平面力学模型,求解其面内自由振动时的固有频率与振型,并将所得结果与用同样参数建模的有限元分析结果对比,证明本文所建理论对求解该类问题的有效性与精确性.此外,通过整桥各跨矢跨比、吊杆截面面积、拱肋惯性矩等的多组参数组合分析了该系统面内自振频率的分布规律.结果表明:随着拱桥矢高增大,系统固有频率减小,因拱桥质量的快速增加,对整桥面内刚度影响显著;增大吊杆截面面积可在一定程度内增大拱桥的面内刚度,导致系统频率在一定范围内增大,且观察到Veering现象.

斜拉桥的多重内共振及其耦合过程研究

斜拉桥具有复杂的内共振特性,以往多是通过频率的倍数关系去研究多模态间的内共振,忽视了对耦合过程的研究。为研究其多重内共振及各模态相互耦合过程,进行了斜拉桥非线性动力学模型实验。实验观测到多重内共振及其导致的全桥大幅振动,发现当外激励频率约为长斜拉索固有频率2倍时,能激发其大幅"拍振",且两个"拍频"之和正好等于外激励频率。通过分段分析和无相移滤波研究了各模态的相互耦合过程。研究表明:斜拉桥非线性模态频率低于线性模态频率;多重内共振需经历一定时间的耦合作用方能引发斜拉桥大幅稳态振动;强迫振动、局部-混合模态耦合振动和组合内共振同时发生是单频外激励能激发斜拉索"拍振",且"拍频"之和等于外激励频率的根本原因。

无背索斜拉桥竖弯刚度评估模型与方法研究

基于斜拉桥中拉索对桥面梁起弹性支撑作用的受力特点,针对无背索斜塔斜拉桥提出一个新的双梁离散弹簧动力学模型。该模型将斜拉索简化为无质量弹簧,将桥塔和桥面梁视为考虑轴力影响的欧拉柏努利梁。然后基于传递矩阵法基本原理,推导得到了无背索斜塔斜拉桥成桥状态竖弯刚度评估方法的基本理论。最后以长沙市洪山大桥为算例,计算了其成桥状态时的自振频率和模态,并对普通钢索被替换为CFRP斜拉索后对桥梁整体竖弯刚度的影响进行了研究分析。结果表明,提出的模型能很好地评估无背索斜塔斜拉桥的竖弯刚度。另外,相比于传统钢拉索,CFRP斜拉索能不同程度地增加无背索斜塔斜拉桥的整体竖弯刚度。

斜拉桥多索-浅拱-弹性约束模型及面内自由振动

考虑斜拉桥的初始构型和支座刚度,建立了竖向弹性约束下的多索-浅拱动力学模型.首先基于索和浅拱的经典动力学方程,将浅拱在索-拱耦合处分段,推导了竖向弹性约束多索-浅拱的面内自由振动理论.然后采用分离变量法对其面内特征值问题进行了求解.同时以双索-浅拱模型为例,建立了相应的有限元模型,并将论文方法算出的频率和模态与有限元结果进行对比,从而验证了论文方法和模型的正确性.最后,对竖向弹性约束双索-浅拱的动力学特性进行了系统的参数化分析.结果表明:竖向刚度对系统的动力学特性有着明显的影响.

混合体系多塔斜拉桥竖弯刚度评估动力学理论

基于斜拉桥的受力特点和形状特征,提出了用于混合体系多塔斜拉桥面内竖弯刚度评估的多梁离散弹簧动力学模型.首先,在课题组相关成果的基础之上,介绍了采用传递矩阵法对不同体系斜拉桥的处理方式.然后,通过使用连续性条件和边界条件,建立了混合体系多塔斜拉桥竖弯刚度评估的基本理论.最后,以赤石大桥为例,建立了相应的有限元模型,并将本文方法算出的频率与有限元和实测得到的频率进行对比,表明本文方法的正确性,可用于混合体系多塔斜拉桥面内竖弯刚度的评估.

《结构动力学》中多频激励多自由度系统稳态解的新方法

本文建立了一种多频激励下多自由度系统的特征值和稳态解的解析求解新方法.基于叠加原理,首先将稳态响应根据激励频率数量展开成多个简谐响应的叠加;其次,根据简谐平衡原理,将弹簧力、激励荷载以及惯性力分解成同样个数的对应荷载叠加;再次,根据达朗贝尔原理建立弹簧和质点的动态平衡方程;最后,根据传递矩阵法进行求解.通过4自由度系统的算例表明该方法求解结果和振型叠加法完全一致.研究表明该方法可同时求解特征值问题和系统的稳态解,在求解稳态解时不需先求特征值问题.

Interaction between uranium and humic acid (Ⅱ): complexation, precipitation and migration behavior of U(Ⅵ) in the presence of humic substances

The complexation, precipitation, and migration behavior of uranium in the presence of humic acid (HA) or fulvic acid (FA) were investigated by cation exchange, ultrafiltration and dynamic experiment, respectively. The results showed that (i) complex equilibrium between the uranium and humic substances was achieved at approximately 72 h, (ii) the coordination number varied from 1:1 to 1:2 ( U(Ⅵ) : humic acid) as pH increased from 3 to 6; and (iii) , while the complex stability constant decreased when temperature increased, but increased with pH value. We found that the precipitation of uranyl could only be observed in presence of HA, and the precipitation was influenced by conditions, such as pH, uranium concentration, temperature, and the HA concentration. The maximum precipitation proportion up to 60% could be achieved in the condition of 40 mg/L HA solution at pH 6. We further observed that the migration behavior of uranium in soil in the presence of humic acid (HA) or fulvic acid (FA) was different from that in the presence of inorganic colloid, and the effect of humic substances (HS) was limited.

Interaction between uranium and humic acid(Ⅰ):Adsorption behaviors of U(Ⅵ) in soil humic acids

The adsorption behaviors of uranium on three soil humic acids (HAs), which were extracted from soils of different depths at the same site, were investigated under various experimental conditions. The adsorption results showed that U(Ⅵ) in solutions can be adsorbed by the three soil HAs, with the order of FHA (HA from 5 m depth of soil) >SHA (HA from the surface) >THA (HA from 10 m depth of soil) for adsorption efficiency in each desirable condition, and the adsorption reached equilibrium in about 240 min. Although the maximum adsorption efficiency was achieved at a suitable uranium concentration (10 mg·L-1 U(Ⅵ) for SHA and THA, 20 mg·L-1 U(Ⅵ) for FHA), the adsorption could be described with Langmiur isotherm or Freundlich isotherm equation. The L/S (liquid/solid, mL/g) ratio and pH were important factors influencing the adsorption in our adsorption system besides uranium concentration. The adsorption efficiency decreased with the increase of the L/S ratio and pH at the pH range of 2.0-3.0 for SHA and THA or 2.5-6.0 for FHA. However, no significant difference in adsorption of U(Ⅵ) was observed at the experimental temperature. All the results implied that humic substances have different characteristics in samples even collected at the same site.

含同类构件的多构件结构区间不确定性优化

在土木工程领域,工程结构往往为含同类构件的多构件结构。针对该类结构的区间不确定性优化模型无法直接转换为数值模型且计算量巨大的问题,本文提出了一种含同类构件的多构件结构区间不确定性优化方法,该方法结合基于数值转换的二阶区间泰勒展开公式与不确定目标函数与约束的转换方法,将区间不确定性优化模型转换为确定性优化模型,最后通过遗传算法求解。研究结果表明:六杆桁架内力计算误差由0.047~0.08减少到0.001~0.005,计算精度显著提高,在十杆桁架优化中,本文的方法与2层嵌套优化方法结果一致,且其遗传算法迭代时间仅为2层嵌套优化方法的1/30左右,证明对于小不确定性问题,该方法不存在区间扩张与缩减问题,同时计算精度高,计算量小。