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钢索是只能承受拉力的柔性构件,具有明显的非线性,伴随较小的应力和应变,就会产生较大的位移,而且会产生松弛和应力损失。正由于这些特点,索力测量在结构施工期和使用期内都具有重要意义。索力检测方法主要有两种:静力法和动力法。在工程实际中主要使用动力法,振动法是动力法中最常用的方法,适用于施工、使用阶段,成本低,仪器轻,测试时间短。振动法与实际还存在一定误差,主要原因是没有考虑索两端弹性支承、弹性边界条件和抗弯刚度等因素的影响。
本文考虑两端弹性支承、弹性边界条件和抗弯刚度等因素的影响,提出了钢索受力的动力检测法,并通过试验进行了验证,主要研究成果有:
对比了索抵抗横向变形的两种刚度-物理刚度和几何刚度,给出了索的一个定量化定义-索是无量纲刚度系数ζ>π的结构构件。
对考虑垂度不考虑抗弯刚度和弹性支承的索模型进行动力分析表明:索的平面外振动是简谐振动;索平面内反对称振动时,垂度引起的索力增量为零;索平面内对称振动时,需要引入变形协调方程进行求解。
对考虑垂度和抗弯刚度不考虑弹性支承的索模型进行动力分析表明:索垂度的存在增加了平面内的刚度,考虑垂度后计算出的频率值变大;垂度对基频影响很大,对高阶奇数阶频率影响越来越小,对偶数阶频率影响可以忽略不计,索力识别宜采用偶数阶频率;对施工中索力还不是很大的索或较粗短的索,忽略抗弯刚度进行估算将出现较大的误差。
在考虑索的抗弯刚度和边界条件而不考虑弹性支承振动理论基础上,推导出索力计算实用公式。
考虑索的弹性支承,以柔性索为研究对象,建立动力分析的数学物理模型,得到了索力和边界条件识别的实用公式。基于该模型对索进行动力分析表明:随着支座处竖向刚度的增大,索的整体刚度增大,索的自由振动频率增大;支座处竖向刚度对奇数阶频率(对称振型频率)影响远大于对偶数阶频率(反对称振型频率);不考虑支座处竖向刚度的影响进行索力识别得到的索力小于实际索力值。
在考虑索的抗弯刚度、弹性嵌固和弹性支承的振动理论基础上建立了数学物理模型并得到了索力检测的实用公式。基于此模型进行动力分析表明:随着支座处竖向刚度的增大或抗弯刚度的增大,索的整体刚度增大,索的自由振动频率增大;支座处竖向刚度较小时,对奇数阶频率(对称振型频率)的影响大于对偶数阶频率(反对称振型频率)的影响;当反映索支座处竖向刚度大小的无量纲参数k>25时,认为索两端固定,不考虑索两端的弹性支承;支座处竖向刚度较小时,采用张紧弦模型进行索力识别所得到的索力不再是索力的上限值。另外,基于此数学物理模型对索力相对于频率、抗弯刚度和支座处竖向刚度的灵敏性进行分析表明:索力相对于支座处竖向刚度的灵敏度为负值,相对于频率的灵敏度值为正值,索力相对于索的抗弯刚度的灵敏度,随着索的抗弯刚度的增大,由负值变为正值;索力对频率最敏感,对支座处竖向刚度最不敏感;由不同的支座处竖向刚度得到的索力相对于频率的灵敏度值离散度较小,由不同的抗弯刚度得到的索力相对于频率的灵敏度值离散度较大。
当不考虑弹性支承时,又提出了由索的实测振动频率同时识别出索力和抗弯刚度的系统参数识别。该方法有一个简洁的表达式,识别过程简单而且容易实现,作为前述索力识别方法的一个补充和验算。
当考虑弹性支承时,也给出了有限单元法和系统识别技术来识别钢索参数的方法。有限单元法和先进的系统识别技术相结合,不仅可以得到索力,而且可以得到抗弯刚度,可以对本文得到的实用公式进行验证。
当考虑弹性支承时,将索的动位移近似分解成不考虑弹性支承时的近似振型函数和弹性支承引起的挠曲线函数进行系统参数识别,可以同时近似识别出索力、抗弯刚度和边界条件。
提出了由多阶频率识别索力、抗弯刚度的序列二次规划法(SQP法),具有整体收敛性且同时保持局部超一次收敛性。
通过索力测试的试验和数值算例进一步验证了本文的索力识别方法的有效性和实用性。