計入重力弦向分量影響的斜拉索非線性自由振動分析

袁從森，沈銳利，周凌遠，李偉東，官 快

（西南交通大學土木工程學院橋梁系，成都 610031）

計入重力弦向分量影響的斜拉索非線性自由振動分析

袁從森，沈銳利，周凌遠，李偉東，官 快

（西南交通大學土木工程學院橋梁系，成都 610031）

為了進一步準確計算斜拉索的自振頻率，考慮斜拉索的重力在弦向的分量對斜拉索非線性振動的影響，分別建立了斜拉索的垂度微分方程和非線性自由振動方程，采用冪級數法求解垂度微分方程，采用伽遼金法把偏微分方程轉化為常微分方程，運用攝動法求得該方程的近似解，并制定了相應的數值計算方法，與理論解進行了比較。研究了考慮索力變化影響后拉索的振動特性，采用了更精確的函數來逼近垂度懸鏈線，解決了考慮重力在弦向的分量時，用拋物線來逼近垂度懸鏈線時的精度不足的問題。隨著索的長度增加，索的總質量也越來越大，因此要考慮斜拉索的重力弦向的分量對斜拉索的振動的影響。

斜拉橋；斜拉索；非線性振動；弦向分量

Max Irine［1］對索結構的動力理論做了較為詳盡的討論。De SáCaetano［2］對拉索振動理論方法做了較為全面的總結。吳曉［3］建立了斜拉橋拉索大幅振動的非線性動力方程，采用傅里葉級數法研究求解了斜拉索非線性固有振動方程。劉志軍［4］研究了斜拉索在平面內的非線性固有振動特性，從考慮抗彎剛度和垂度影響的斜拉索在平面內發生橫向振動的非線性自由振動方程出發，對斜拉索發生單模態振動進行了分析。趙躍宇［5］計入斜拉索的抗彎剛度、垂度和幾何非線性的影響，利用哈密頓原理建立了斜拉索的非線性振動微分方程。李金海［6］在考慮斜拉索非線性靜平衡曲線、抗彎剛度、黏滯阻尼影響的斜拉索平面內非線性振動的基礎上，建立了斜拉索非線性運動方程。付英［7］在考慮拉索垂度的情況下建立了深圳灣公路大橋的動力學模型。李壽英［8］推導了覆冰拉索的一階模態馳振的運動微分方程，并采用龍格－庫塔法進行求解，得到了拉索的馳振響應規律。以上學者在研究過程中用二次拋物線代替垂度懸鏈線，在建立動力微分方程時，沒有考慮重力在弦向的分量對斜拉索的振動的影響。周曉東［9］研究了彈性斜拉索內共振非線性特性，在求斜拉索的垂度曲線時，考慮了斜拉索重力在平行于弦向方向上分量的作用；由于該分量的作用，拉索的初始形態不再是關于弦的中垂線對稱的、近似拋物線的形狀，而是非對稱的形態；但是其在建立動力平衡方程時沒有考慮斜拉索重力在平行于弦向方向上分量的作用。

一般斜拉橋的拉索在發生大幅橫向振動時，應該考慮斜拉索在振動過程中索力的變化，并且考慮非線性項。隨著索的長度增加，索的總質量也越來越大，受重力影響，拉索的張力沿弦向變化較大，有必要計入重量弦向分量的影響，更加精確地研究長大斜拉索的非線性振動。

本文假定：只考慮拉索xy平面內的振動，且拉索在x方向的振動很小，可以忽略不計；斜拉索受到的重力沿弦長均勻分布。圖1所示為研究對象的坐標體系和結構模型。

圖1 斜拉索示意圖Fig．1 The sketch of an inclined cable

由于考慮了重力在弦向的分量，用拋物線來逼近垂度懸鏈線，精度不夠，采用冪級數法求解垂度微分方程，得到更精確的函數來逼近垂度懸鏈線。

1 斜拉索非線性自由振動微分方程的導出

圖1所示的斜拉索，坐標系取弦向op方向為x軸，以垂直于弦向為y軸且以朝下方為正，坐標原點取支撐點O。圖中θ和l分別表示斜拉索的傾角和弦長。斜拉索的質量是均勻分布的，單位長度的質量為m，y（x）為拉索靜態的垂度函數。在拉索作橫向振動時，其弦向拉力增值為S；η（x，t）為拉索橫向振動位移函數，其方向沿y軸方向，索的彎曲剛度為EI。

考慮重力在弦向（即為x軸方向）的分量，則拉索的靜態弦向拉力將不再是常數，設靜態弦向拉力為Sc，其表達式為

式中：S0為原點O處拉索的靜態弦向拉力。

在自重作用下，首先不考慮斜拉索的抗彎剛度，取斜拉索的微段來研究，該微段弧長微分為d s，忽略高階項，拉索的豎向靜力平衡方程為：

式（2）即為垂度微分方程，在此考慮了重力弦向分量的影響。

參照靜力平衡方程的推導，斜拉索在平面內作橫向振動時，有動力平衡方程：

式（4）即為索的動力平衡微分方程。與以前的研究相比，此微分方程考慮了重力在弦向的分量對斜拉索的振動的影響。

變形協調方程為：

或者也可以采用文獻［10］的變形協調方程，其本質是一樣的。

2 微分方程的近似解析解

2.1 垂度微分方程的求解

我們得到的垂度微分方程式（2）可以采用冪級數法求得近似解：

上式是恒等式，因此方程左端各項的系數全部為零，于是有

2.2 索的動力平衡微分方程的攝動解

假設拉索橫向振動位移

把式（5）、式（9）和式（10）代入式（4）中，再利用伽遼金原理，則式（4）就從關于空間的四階和關于時間的二階偏微分方程轉化為關于時間的二階常微分方程：

α1為線性影響因素，包括抗彎剛度的影響因素、初拉力（即初始的拉索靜態弦向拉力）的影響因素、重力弦向分力影響因素、索力變化和垂度的線性影響因素。其中抗彎剛度的影響因素為：

索力變化和垂度的線性影響因素為：

式中：α1＝α11+α12+α13+α14

α2和α3為索力變化和垂度的非線性影響因素：

L-P法是一種一致有效的攝動法，我們利用L-P法［11－12］來解式（11）。引進一個無量綱的小參數ε和一個新的自變量τ＝ωt，其中ω為非線性自振頻率，是在開始時尚未確定的ε的函數。

假定式（11）的解可以表示成形式為

根據ε的各冪次的系數都等于零，可把非線性微分方程化為線性的微分方程組，就得到如下微分方程組：

對于初始條件，為簡化并且不失一般性，假設初速度為零，只有初位移。

可見斜拉索的非線性自振頻率與振幅有關，當振幅較大時要考慮非線性。

3 微分方程的數值解

對于式（11），我們可以把二階微分方程的初值問題轉化為一階方程組來進行數值求解。利用四階Runge-Kutta-Gill法［13］，可以編寫C++控制臺程序，進行求解。

4 算 例

取武漢白沙洲長江大橋C24號斜拉索作為算例，進行分析。該斜拉索的主要參數為［4］：索長為331．013 6 m，彈性模量E＝1．95×105MPa，橫截面積A＝6．273×10－3m2，單位長度質量m＝51．8 kg／m，拉索的傾斜角度θ＝24．397 6°，初始張力為2 002 kN，截面慣性矩為3．5×10－6m4。假設：對于一階振型，跨中的初始振幅是0．95 m；對于二階振型，1／4跨的初始振幅是0．95 m；對于三階振型，1／6跨的初始振幅是0．95 m；對于四階振型，八分之一跨的初始振幅是0．95 m；初始速度為零。

通過計算得知，對于一階自振，抗彎剛度的影響因素、初拉力的影響因素、重力弦向分力影響因素、索力變化和垂度的線性影響因素分別為α11、α12、α13見表1。

可見初拉力的影響最大，其次是索力變化和垂度的線性影響，再次是重力弦向分力影響，遠大于抗彎剛度的影響因素。

各階自振的影響因素系數見表1。

表1 影響因素Tab.1 Influence factor

由表1可知，重力弦向分力影響因素一直都大于抗彎剛度的影響因素，并且從第二階自振開始，重力弦向分力影響因素已經大于索力變化和垂度的線性影響，因此為了提高斜拉索自振分析的精度，應該要考慮斜拉索的重力弦向分力影響因素。

利用不考慮垂度、索力變化和抗彎剛度影響的標準弦的線性振動理論和本文非線性理論以及數值方法，得到跨中位置一階自振位移圖見圖2。

圖2 拉索的一階自振位移圖Fig．2 The first order natural vibration displacement of inclined cables

從圖2可知，對于一階自振，非線性近似解析解和非線性數值解基本一致，可見非線性近似解析解是比較精確的。線性解與非線性解有一定的差別，并且由于重力和非線性的影響，非線性解正振幅值為0．950 m，負振幅值為－0．994 9 m，上下不對稱，波峰明顯小于波谷；而線性解正振幅值為0．950 m，負振幅值為－0．950 m，波峰等于波谷。

本文的非線性為幾何非線性，細長桿件（細長梁和索）的幾何非線性效應主要包括曲率變化引起的非線性，桿件伸長造成軸力變化引起的非線性和慣性力造成的非線性。本文只考慮一個方向的振動，故沒有慣性非線性。曲率變化引起的非線性對應于非線性有限元中的切線剛度矩陣中的大轉角矩陣，桿件伸長造成軸力變化引起的非線性對應于幾何剛度矩陣。對于兩端固定的非線性細長桿件，桿件伸長造成軸力變化引起的非線性占主導地位。索做大幅自由振動時，索必然會伸長，引起非線性。此外索的非線性振動公式考慮了垂度的影響，在重力引起的垂度基礎上做振動，從能量的角度來說，索非線性振動考慮了重力勢能的影響。線性解沒有考慮索的伸張造成的索力變化，也沒有考慮垂度，忽略了重力勢能的影響。故線性解與非線性解有一定的差別。

用同樣的方法得到二階到五階自振位移圖，見圖3～圖6。對于二階振型，圖3中的振幅對應于拉索的1／4跨的位置；對于三階振型，圖4中的振幅對應于拉索的1／6跨的位置；對于四階振型，圖5中的振幅對應于拉索的1／8跨的位置。

圖3 拉索的二階自振位移圖Fig．3 The second order natural vibration displacement of inclined cables

圖4 拉索的三階自振位移圖Fig．4 The third order natural vibration displacement of inclined cables

圖5 拉索的四階自振位移圖Fig．5 The fourth order natural vibration displacement of inclined cables

圖6 拉索的五階自振位移圖Fig．6 The sixth order natural vibration displacement of inclined cables

從圖3～圖6可知，對于二階及其以上階自振，非線性近似解析解和非線性數值解幾乎完全重合，非線性近似解析解是足夠精確的；此外，非線性解和線性解差別已經不大了，位移波峰基本等于波谷。

表2 頻率對比（Hz）Tab.2 Comparison of frequency

利用標準弦的線性理論和本文的非線性理論以及數值方法，振幅采用上文給出的振幅數值，得到的自振頻率見表2。

由表2可以看出，一階頻率的線性解與非線性解差別較大，二階及以上頻率的線性解與非線性解差別較小。該差別原因與圖2的線性解和非線性解的差別原因是一樣的。

5 結 論

本文通過解析方法和數值方法研究了拉索的大幅橫向振動，得出如下結論：

當斜拉索自振振幅較大時要考慮幾何非線性對斜拉索自振頻率的影響，自振振幅較小時可以不考慮幾何非線性。

重力弦向分力影響因素一般都大于抗彎剛度的影響因素，因此為了提高斜拉索自振分析的精度，應該要考慮斜拉索的重力弦向分力的影響。

由于考慮了拉索重力在弦向的分量對斜拉索的振動的影響，采用拋物線來表示垂度懸鏈線，精度顯然不夠，故利用冪級數法求解了更精確的垂度微分方程的近似解。

非線性近似解析解和非線性數值解基本一致，所以非線性近似解析解是比較精確的。線性解與非線性解有一定的差別，并且由于重力和非線性的影響，非線性解的位移波峰不等于波谷，這與線性的結果是不一樣的。

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Nonlinear free vibration of inclined cables taking into account the effect of chord component of gravity

YUAN Cong-sen，SHEN Rui-li，ZHOU Ling-yuan，LIWei-dong，GUAN Kuai
（School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Taking into account the effect of chord component of gravity on the nonlinear free vibration of inclined cables，the nonlinear equations of motion of an inclined cable were developed．The sag differential equation and the nonlinear free vibration equation of the sag were established．The sag differential equation was solved with themethod of power series．Galerkin'smethod was used to convert the nonlinear partial differential equations into ordinary differential equations．The approximate solutions of the equations were obtained with the perturbation method．A corresponding numericalmethod was developed and the resultswere compared with the theoretical solution．The vibration characteristics of inclined cableswere studied considering the variation of cable forces．A new function was chosen to approximate the catenary sag，which is more precise than the parabola function．The total mass of inclined cable increases with the increasing of the length，so the effectof chord componentof gravity on the vibration of inclined cablesmustbe considered．

cable stayed bridges；inclined cables；nonlinear vibration；chord component

TU317

A

10．13465／j．cnki．jvs．2015．12．034

國家自然科學基金資助項目（51178396）

2013－11－01 修改稿收到日期：2014－06－24

袁從森男，博士生，1983年生

沈銳利 男，博士，教授，博士生導師，1963年生