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基于实测振动特性识别拉索索力的研究

作　者: 李宗凯
导　师: 张毅刚；秦杰
学　校: 北京工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 弦模型索力频率高阶振型超越方程
分类号: U448.27
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 24次
引　用: 2次
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内容摘要

随着现代建筑结构朝着大跨度及超大跨度的方向发展,各种形式的索结构不断涌现。作为这类结构主要受力构件的拉索,是否承担了必要的索力是关系到结构是否安全可靠的前提和基础。因此,索力的测量成为了索结构监测和检测领域当中非常重要的内容。当今一种高效、经济和便捷的索力测试方法是基于弦模型理论的实测索体振动频率识别索力的方法。但在实际应用中,该方法同样存在不足和缺陷。本文针对其中一些不足,围绕该方法的应用展开讨论,取得了一些有益的结论。主要工作如下:(1)以足尺试验测定15.2mm钢绞线抗弯刚度为例,说明了根据索体实测抗弯刚度进行有限元建模时索体截面实用简化的方法。(2)针对弦模型索力公式,通过有限元仿真计算,分析索体在不同索力工况下该公式的适用情况。给出了15.2mm钢绞线弦模型索力计算公式不同索力下适用的索体最小长径比的要求。(3)指出基于实测索体振动时高阶振型的半正弦波长及相应频率,再利用动测法的弦模型索力公式,可以获得索体的索力。进一步,利用ANSYS有限元软件对其进行仿真分析,并进行了15.2mm钢绞线的足尺试验。经过计算和分析,证明了该方法可以消除约束对于索体振动的影响,能够达到较准确地识别索体索力的目的,从而论证了该方法的适用性与可行性。(4)将基于索体振动的高阶振型和频率识别拉索索力的方法进行推广,应用于带有侧向约束索体相邻侧向约束间索段的索力识别。同样利用ANSYS有限元进行仿真分析,并进行了15.2mm钢绞线的足尺试验。经计算和分析,证明了该方法同样可以消除节点侧向约束对于索体振动的影响,获得带有侧向约束索体的索力。(5)根据索体振动微分方程推得的频率超越方程和不同的边界约束条件,拟合了不同阶频率和索力关系的实用公式。通过有限元仿真和工程实测两种手段,利用实用公式计算索力并与理论索力比较,证明了该公式的可行性。基于实测动力特性的索力识别方法是现阶段较为优越的一种索力测试手段。随着传感设备的日益改进和该方法适用范围的不断完善,动测拉索索力的方法必定可以得到更为广阔的应用和发展。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-23
  1.1 拉索在工程中的应用  10
  1.2 索力监测的现实意义  10-12
  1.3 索力测试的研究进展  12-15
    1.3.1 结构健康监测（检测）概述  12-13
    1.3.2 现有索力测试的研究进展  13-15
  1.4 动测索力的弦模型理论  15-20
    1.4.1 拉索线性理论简述  15-16
    1.4.2 基于弦模型振动方程的索力计算公式  16-17
    1.4.3 频率法测索力的影响因素  17-20
  1.5 现阶段频率法测量索力存在的问题  20-22
  1.6 本文的工作  22-23
第2章应用弦模型索力公式的几个关键问题  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 索体抗弯刚度的测定及实用简化方法  23-26
    2.2.1 测定索体抗弯刚度的必要性  23-24
    2.2.2 索体实际抗弯刚度实用的建模简化方法  24-25
    2.2.3 足尺试验测定15.2mm钢绞线的抗弯刚度  25-26
  2.3 弦模型索力计算公式长径比的适用性探讨  26-32
    2.3.1 弦模型索力公式适用长径比的一般经验  26
    2.3.2 有限元仿真讨论弦模型索力计算公式长径比的适用性  26-31
    2.3.3 仿真结果与应用建议  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第3章基于高阶振型和频率识别索体的索力  33-52
  3.1 引言  33
  3.2 利用高阶振型识别索力的可能性  33-35
  3.3 基于高阶振型和频率识别索体索力的方法  35-36
  3.4 无侧向约束索体有限元仿真分析  36-38
  3.5 无侧向约束15.2mm钢绞线足尺试验  38-50
    3.5.1 试验设备与装置  38-39
    3.5.2 无侧向约束索长8 米索力121000N时的试验  39-48
    3.5.3 无侧向约束试验实测数据及计算结果  48-50
  3.6 无侧向约束索体有限元仿真及实测结果分析与对比  50
  3.7 本章小结  50-52
第4章基于高阶振型和频率识别带有侧向约束索体的索力  52-71
  4.1 基于高阶振型和频率识别带有侧向约束索体索力的可行性  52-54
  4.2 有侧向约束索体有限元仿真分析  54-56
  4.3 有侧向约束15.2mm钢绞线足尺试验  56-69
    4.3.1 试验设备与装置  56
    4.3.2 单侧向约束总索长16 米索力122000N时的试验  56-67
    4.3.3 有侧向约束试验实测数据及计算结果  67-69
  4.4 有侧向约束索体有限元仿真及实测结果分析与对比  69-70
  4.5 本章小结  70-71
第5章索体振动的频率方程及实用数值求解  71-86
  5.1 基于单索振动频率方程拟合实用索力计算公式的必要  71
  5.2 索体振动基本微分方程  71-73
  5.3 三种不同边界频率与索力的数值解表达  73-82
    5.3.1 索体两端为铰接约束条件  73
    5.3.2 索体两端为固接约束条件  73-79
    5.3.3 索体两端为一端铰接一端固接约束条件  79-82
  5.4 数值算例  82-85
    5.4.1 有限元仿真算例  82-83
    5.4.2 工程实测算例  83-85
    5.4.3 有限元计算与工程实测结果分析  85
  5.5 本章小结  85-86
结论与展望  86-89
  本文的工作与主要结论  86-87
  本课题的创新之处  87
  展望  87-89
参考文献  89-94
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  94-95
致谢  95

基于实测振动特性识别拉索索力的研究

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