复杂索缆体系动力学分析及智慧监测

　　动力学分析是索缆结构设计、服役期性能监测与维护、振动控制的关键问题。随着现代工程结构跨度和高度的不断增长，复杂索缆体系成为一种必然选择。在此情况下，已有的针对简单、高效、高精度的解析方法来分析复杂索缆体系的动力问题，已成为一个迫切需要解决的难题。本书主要介绍了基于动刚度理论的复杂索缆系统的动力分析理论方法，以解决复杂索缆系统的动力特性分析、索力监测与识别、系统参数识别、振动控制、索缆疲劳状态智慧感知和疲劳寿命预测等问题。

　　淡丹辉 同济大学教授，博士生导师；新疆大学天山学者特聘教授。主要从事桥梁结构健康系统规划设计、结构智慧监测的一般性理论、结构振动控制、结构动力学、既有结构评估和诊断等方面的研究和咨询工作。我国第一批从事桥梁健康监测系统研究的学者之一，承担或参与国家J、省部级科研项目30余项。完成我国第一本关于《智能土木结构理论》主题的博士学位论文，先后作为负责人和技术骨干参与20余座大跨桥梁、51座中小桥梁的健康监测系统研究和建设。发表论文170余篇，SCI论文72篇（其中JCR一、二区52篇）。获授权发明专利14项、实用新型专利20项、软件著作权6项。出版专著《桥梁工程结构智慧监测——理论与实践》，主编上海市地方规范《桥梁结构监测系统技术规程》。获国家J行业协会和省部级的奖励和成果7项。韩飞 工学博士，西北工业大学副教授，博士生导师。主要从事非线性动力学、结构健康监测、结构动力学与控制、海洋工程动力学等方面的工作。主持国家自然科学基金青年项目一项；申请发明专利5项、以第一或通讯作者身份在国际顶级力学和土木类期刊上发表论文20 余篇。徐斌 工学博士，郑州大学土木工程学院交通工程系和城市地上地下交通一体化研究所教师。主要从事桥梁健康监测和在役桥梁安全评估的研究工作，主要研究方向为缆索动力分析、缆索长期监测与评估。作为骨干或主要参与人参研了多项国家J、省部级纵向科研项目，并作为主要技术人员参与多项索承体系桥梁健康监测系统设计与实施等大型横向项目。已发表SCI论文10余篇，获授权发明专利2项、软件著作权1项。

绪论1

0.1概念体系1
0.2研究综述3第一篇
7基于横向动刚度的拉索系统动力分析理论第1章
9索缆动力学中的动刚度法基础

1.1动刚度法9
1.1.1基本理论10
1.1.2动刚度矩阵特性11
1.1.3存在的问题12
1.2WW法12
1.2.1基本理论13
1.2.2计算流程14
1.2.3存在的问题16
1.3适用于复杂梁式结构的改进WW法16
1.3.1基本理论16
1.3.2计算流程17
1.3.3准确性验证18
1.3.4改进WW法优势20
1.4WW法在弱几何非线性结构中的扩展20
1.4.1计算步骤20
1.4.2准确性验证21
1.5扩展动刚度法22
1.5.1基本理论23
1.5.2系统阻尼比的计算27
1.5.3方法验证28
1.5.4优势30
1.5.5复合索缆体系31第2章
32单梁拉索体系的横向动刚度理论

2.1单梁拉索体系的分段振动微分方程32
2.2分段微分方程的通解34
2.3界动位移表征的无量纲振型函数36
2.4拉索横向力元件系统的横向动刚度矩阵分析
模型37
2.5实例研究： 拉索体系的动刚度规律40
2.5.1数值验证40
2.5.2实索激振实验45
2.5.3拉索横向动刚度特性研究47第3章
52考虑多因素的裸索系统动力特性分析方法

3.1系统频率方程的建立53
3.1.1裸索体系阻尼比计算53
3.1.2动刚度矩阵计算54
3.1.3系统频率方程的求解56
3.2准确性验证57〖KH+8mmD〗第二篇
61复杂索缆系统的动力分析理论第4章
63复杂拉索体系的动力特性分析

4.1复杂拉索系统的动刚度理论63
4.2复杂拉索体系的统一频率方程64
4.3统一频率方程的解法67
4.4有效性验证69
4.4.1与张紧弦方法比较69
4.4.2与文献计算结果比较70
4.4.3横向元件位置对纯索频率计算结果影响72
4.5实际应用73
4.5.1在拉索动力特性研究中的应用73
4.5.2弹性支撑75
4.5.3集中质量块76
4.5.4阻尼器76第5章
78含填充层的双层复合索

5.1概述78
5.2由黏弹性层连接的双梁系统阻尼特性分析79
5.2.1双梁系统的控制微分方程及其通解80
5.2.2动刚度矩阵的建立82
5.2.3等效阻尼比的计算84
5.2.4黏弹性双梁系统阻尼特性分析85
5.2.5在复合拉索系统设计中的应用91
5.3双梁系统动力特性分析93
5.3.1频率求解94
5.3.2振型分析97
5.4双层索套复合拉索系统动力特性研究102
5.4.1系统横向动刚度矩阵的建立104
5.4.2横向动刚度特性研究109
5.4.3护套拉索系统振动机理分析111
5.4.4系统频率贡献判断流程图114第6章
117复杂吊索系统特性研究

6.1考虑吊索两端约束的吊索动力特性研究117
6.1.1吊索动力分析的基本理论118
6.1.2边界条件对吊索动力特性的影响分析123
6.1.3应用讨论127
6.2双吊索动力分析的横向动刚度理论130
6.3双吊索动力特性影响因素分析134
6.3.1与文献方法比较134
6.3.2索长的影响135
6.3.3抗弯刚度分析136
6.3.4减振支架位置对双吊索系统动力特性的影响137
6.3.5非对称索力的影响138第7章
140多段式索缆系统

7.1概述140
7.2基本理论141
7.2.1动力分析模型141
7.2.2拉索附加索力的推导142
7.2.3索段动刚度矩阵的推导145
7.2.4多段式系统总体刚度矩阵的集组149
7.3实验验证151
7.3.1实验工况介绍151
7.3.2实验结果分析155
7.4实验结果讨论及误差分析162
7.5参数分析165第8章
166悬索桥动力特性分析

8.1基本假定166
8.2结构设计参数167
8.3主梁简化方式169
8.4实桥验证172第三篇
175复杂索缆系统的平均索力及索参数智能
监测与感知第9章
177基于PSO的复杂拉索系统模型修正及参数识别

9.1概述177
9.2模型修正及参数识别177
9.2.1模型修正的基本思路178
9.2.2识别参数的选择178
9.2.3目标函数的选择178
9.2.4PSO优化算法181
9.3拉索参数识别仿真分析193
9.3.1短索193
9.3.2中索194
9.3.3长索195
9.3.4与张紧弦法和考虑抗弯刚度公式法比较197
9.4拉索参数识别的试验验证198
9.4.11号拉索识别199
9.4.22号拉索识别200第10章
203中等长索的索力精确识别

10.1拉索动力分析的横向动刚度理论203
10.2拉索反分析特征函数208
10.3拉索反分析特征函数特性研究208
10.3.1索长影响208
10.3.2拉索横截面面积和单位长度质量的影响211
10.4平均索力及拉索参数的精确感知方法213
10.4.1基于特征函数HI脊线的参数感知方法213
10.4.2索长误差对感知结果的影响214
10.5实索试验验证215
10.5.1拉索试验介绍215
10.5.220m拉索索力及抗弯刚度感知217
10.5.3168m拉索索力及抗弯刚度感知220第11章
222短吊索索力及参数精确识别

11.1考虑吊索锚固区影响的三节段吊索动力分析
模型222
11.2短吊索反分析特征函数223
11.3锚固区参数对吊索模态参数的影响分析224
11.3.1锚固区抗弯刚度的影响224
11.3.2锚固区线质量的影响225
11.3.3锚固区长度在吊索中所占比重的影响227
11.4短吊索索力及吊索参数的精确感知方法228
11.4.1面向服役期吊索的PSO索力精确感知
方法229
11.4.2面向工程或实时在线监测环境的实用
公式法229
11.5方法验证231
11.5.1PSO优化算法感知效果验证231
11.5.2实用公式法验证232
11.5.3实索试验验证233第12章
236索缆悬吊系统索力及参数精确识别

12.1索缆悬吊结构动力分析模型236
12.2索缆悬吊结构主缆反分析特征函数237
12.3主缆索力及主缆参数的精确感知方法238
12.4实索试验验证240
12.4.1实索试验介绍240
12.4.2悬吊主缆索力及参数感知241第13章
246交通荷载对悬索桥动力特性的影响分析——
涡振后的交通管制决策启示

13.1概述246
13.2考虑交通荷载的悬索桥动力学模型248
13.2.1单梁悬索桥模型： 交通荷载作为附加均匀
质量248
13.2.2双梁悬索桥模型： 交通荷载作为柔性副梁249
13.3悬索桥动力特性求解250
13.3.1单梁模型模态阻尼比的显式解250
13.3.2双梁模型模态阻尼比的显式解251
13.3.3无阻尼模态频率ω的求解253
13.4交通荷载对动力特性的影响254
13.4.1验证单梁模型的动力特性解255
13.4.2交通荷载对动力特性的影响256
13.4.3现场监测数据验证257
13.5关于交通管理决策的讨论260第四篇
261复杂索缆系统的在线疲劳状态智慧感知与
寿命预测第14章
263拉索时变索力在线实时智慧感知

14.1概述263
14.2时变频率的智能感知264
14.2.1块递推APES法介绍264
14.2.2时变频率智能获取方法265
14.3时变索力感知266
14.3.1时变索力拟合方法266
14.3.2时变索力公式拟合266
14.3.3时变索力智慧感知流程270
14.4实桥拉索验证271
14.4.1工程背景271
14.4.2拉索时变频率智能感知272
14.4.3拉索时变索力公式拟合275
14.4.4时变索力感知279第15章
283拉索振动附加索力的在线智慧感知

15.1概述283
15.2基于非线性分析的振动附加索力感知方法283
15.3参数分析及简化公式286
15.3.1Irevin参数λ对振动附加刚度的影响287
15.3.2频率和观测点相对位置对振动附加刚度的
影响287
15.3.3振动附加索力简化公式289
15.4实索振动附加索力感知289第16章
293拉索全场域动力响应和内力在线智慧感知

16.1概述293
16.2拉索全场域动力响应感知293
16.2.1振型叠加法293
16.2.2拉索振型函数294
16.2.3动力响应感知方法299
16.2.4数值方法验证299
16.2.5实索试验验证314
16.3拉索全场域内等效节点荷载感知317
16.3.1基本原理317
16.3.2数值方法验证318
16.4拉索全场域内截面内力及应力感知322
16.4.1弯曲内力及应力感知方法322
16.4.2数值方法验证324第17章
327拉索在线疲劳状态智慧感知与寿命预测

17.1概述327
17.2拉索疲劳荷载328
17.3拉索疲劳应力谱的获取328
17.4疲劳寿命预测方法329
17.4.1拉索SN曲线329
17.4.2变幅荷载作用下的疲劳寿命331
17.5工程案例分析332
17.5.1工程背景介绍332
17.5.2疲劳荷载在线获取332
17.5.3疲劳荷载谱在线获取334
17.5.4应力循环统计336
17.5.5拉索截面整体疲劳寿命预测339
17.5.6拉索截面索丝疲劳寿命预测342
17.5.7拉索不同截面索丝疲劳结果的讨论344
17.6拉索长期监测的在线疲劳状态智慧感知及
寿命预测策略345
17.6.1在线疲劳状态智慧感知和寿命预测方案345
17.6.2拉索监测及检测需求346第18章
347复杂拉索体系动力分析及智慧监测工具箱的
初步开发与应用

18.1概述347
18.2复杂拉索系统动力特性分析工具箱347
18.2.1复杂拉索系统的关键分析理论347
18.2.2工具箱构成情况及范式设计348
18.2.3GUI人机交互程序介绍351
18.3复杂拉索系统模型修正及参数识别工具箱353
18.3.1复杂拉索系统参数识别理论基础353
18.3.2工具箱构成情况及范式设计353
18.3.3GUI人机交互程序介绍355
18.4智慧监测工具箱开发357
18.5在线方案358
参考文献361
附录372