正弦激振频率法测定在役拉索索力研究

摘要

预应力大跨度空间结构由于其造型和功能性逐渐成为地标性建筑或者重要的公共设施,造价昂贵,如果倒塌人员伤亡重,那么对建成后的索结构进行健康检测是保证结构安全性和耐久性的关键。拉索作为一种轻质高强的主要受力构件,会随着时间产生应力松弛或腐蚀损伤等导致应力损失,对结构的安全性和耐久性会造成不利的影响。目前在索力识别的理论方法研究和工程实际应用发展迅速,对在役索结构拉索索力测量应用最广泛的还是频率法。频率法不仅可以用于大跨度结构施工阶段,也可以应用于在线实时测量索力。基于此,频率法的研究和应用受到越来越多学着的关注,而在实际工程中拉索的受力状态的多样性和复杂性,对其进一步研究对在役索结构索力识别显得尤为重要。一般频率法依靠环境激振或者人工锤击,对于一般的中长拉索,能获得比较精确的基频,但是对于粗短索和超长索,其刚度和质量的影响,使一般人工激振很难获得比较好的振型,影响了索力测定的精度。本文提出通过正弦激振的方法,在扫频范围内寻找拉索的基频。结合一些工程数据,通过数值计算证明了这一方法的精确性。并通过缩尺实验验证了采用正弦激振测量索力这一方法的可行性。该方法基于频率法测量索力的原理,相对于一般的频率法具有明显的优越性。首先总结了基于频率法测量索力的原理,介绍了拉索的线性振动理论,推导了在考虑刚度影响和垂度影响下索力的计算公式,并设计相应的算例来进行计算。在不考虑拉索线密度非线性的情况下建立拉索在外力作用下的振动方程并进行解析解的推导;研究了拉索的抗弯刚度、边界条件、垂度等因素对索力测试结果的影响规律。其次推导了短索和超长索的实用计算公式,并根据实际工程应用有限元软件建立拉索模型,通过仿真模拟分析得到拉索振动的基频,和实际数值及实用计算公式的对比验证了正弦激振法测定索力的精确性。最后根据振动测试理论,在已知响应和激励的情况下,能够获得被测拉索的基本属性。基于此通过一个缩尺实验,对在不同拉力,不同激振点和不同长度组成工况下的索力识别,验证正弦激振法测定索力的可行性并探讨了正弦激励方法中影响拉索频率的若干规律。

目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 拉索在预应力大跨度工程中的应用以及种类

1.1.1 索结构发展

1.1.2 拉索在预应力大跨度结构中应用及其特性

1.1.3 拉索的分类与构造

1.2 索结构中拉索索力测量方法综述

1.2.1 主要几种测试索力的方法

1.2.2 各种方法的对比分析

1.3 频率法测试索力的研究背景及存在问题

1.3.1 频率法研究现状

1.3.2 频率法测定索力存在的问题

1.3.3 频率法测定索力的新发展

1.4 本文研究的主要内容

2 一般频率法的理论基础和运用

2.1 索的线性振动理论综述

2.1.1 拉索线性理论发展背景

2.1.2 拉索线性解析理论的基本假定

2.1.3 拉索的基本动力方程

2.2 拉索的张紧弦理论

2.3 考虑抗弯刚度影响的拉索的解析理论

2.4 考虑垂度影响的拉索的解析理论

2.5 考虑边界条件后拉索的解析理论

2.6 索力计算的实用公式总结

2.7 算例分析

2.8 本章小结

3 正弦激振频率法的理论基础

3.1 拉索受迫振动分析

3.1.1 用正弦函数表示的简谐激励

3.1.2 正弦激励的理论概述

3.1.3 无阻尼系统对激励的响应

3.1.4 弦索振动基本理论

3.2 影响频率法的若干因素

3.2.1 拉索两端锚固条件的影响

3.2.2 拉索抗弯刚度的影响

3.2.3 拉索垂度的影响

3.2.4 附加质量的影响

3.2.5 环境温度的影响

3.2.6 拉索长度的计算的影响

3.3 本章小结

4 正弦激振频率法的数值计算与索力测试实验研究

4.1 正弦激振频率法的数值计算

4.1.1 模型的建立与参数的选取

4.1.2 激励频率的合理选取

4.1.3 激振点和响应点的合理选取

4.2 正弦激振频率法与一般频率法的结果比较

4.2.1 在短索中正弦激振频率法的应用

4.2.2 在超长索中正弦激振频率法的应用

4.3 正弦激振频率法测试索力实验研究

4.3.1 振动问题概述

4.3.2 实验目的

4.3.3 实验准备

4.3.4 实验方法

4.3.5 数据收集以及结果处理

4.4 实验结论

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

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