复杂索缆结构动力分析理论及工程应用研究

Cable structure is an important type of the modern engineering structure bearing system. With the continuous increase of the span and height of modern engineering structure, cable structure is becoming more complex, and the coupling effect of many factors is becoming more and more significant. For cable structure, its dynamic analysis has gone beyond its static analysis. It has become a key issue in the design, operation, performance monitoring and maintenance, and vibration control of such structures. The existing dynamic analysis method for single cable has been difficult to solve the problem of dynamic analysis of complex cable structure. Considering the increasing demand of modern civil engineering structures for complex cable systems and the need for accurate dynamic analysis, it is urgent to develop a set of theories and methods for dynamic analysis of complex cable structures..In this project, a dynamic analysis method of complex cable structure based on the analytic expression of lateral dynamic stiffness is proposed. As aims to solve the exact dynamic characteristics analysis of complex cable structures, the forward analysis of dynamic response and some mixed inversion methods of cable structure response under known circumstances, i.e., some monitoring information is known. The ultimate goal of the project is to provide analytical tools and theoretical basis for the design of complex cable structures, health monitoring during operation, and vibration control.

索缆结构是现代工程结构承力体系的一个重要类型。随着现代工程结构跨度和高度的不断增长，索缆结构正变得原来越复杂，多种因素耦合效应越来越显著。对于索缆结构而言，其动力分析问题已超越其静力问题，成为此类工程结构的设计、运营期性能监控与维护、振动控制的关键问题。已有的针对单个拉索的动力分析方法已经难于解决复杂索缆结构的动力学分析问题。鉴于现代土木工程结构对于复杂索缆系统需求的日益增长，以及对其精确动力学分析的需求迫切性，有必要研究发展一套专用于复杂索缆结构的动力分析理论和方法。.本项目从建立自然划分的索段振动微分方程出发，提出一套基于横向动刚度解析表达式的复杂索缆结构动力分析方法，以期解决复杂索缆结构的精确动力特性分析问题、动力响应正分析问题和部分监测信息已知情况下的索缆结构响应混合反演问题，从而为复杂索缆结构的设计、运营期间的健康监测、以及振动控制等提供分析工具和理论依据。

随着现代工程结构跨度和高度的不断增长，其动力分析问题已超越其静力问题，成为此类工程结构的设计、运营期性能监控与维护、振动控制的关键。已有的针对单索的动力分析方法已经难于解决复杂索缆结构的动力学分析，因此有必要研究发展一套用于复杂索缆结构的动力分析理论和方法。.本项目将组成复杂拉索体系的索缆按照其空间受力及与其它构件的接触或支撑情况，将拉索划成若干自然索段，在每一个索段内，采用考虑多种拉索力学因素的动力控制微分方程来描述其振动行为，通过建立多索段索缆系统的横向动刚度方式，建立平衡方程，进而得到系统的解析形式特征频率方程。发展了几种方程的求解方法，包括Wittrick-Williams算法和粒子群搜索算法等，解决了复杂索缆体系的动力特性的精确求解问题。在此基础上，将此理论应用于各种复杂索缆体系的索力识别、动力特性识别之中，发展了在线和离线两种版本的索力监测和识别技术框架，并针对服役期复杂索缆体系在工作荷载作用下的时变索力问题，发展了批处理和实时在线识别索力的技术，以及拉索全场域实时在线疲劳应力识别和疲劳状态智慧感知技术，初步形成了面向复杂索缆体系的实时疲劳寿命监测与预测技术框架。.本项目建立起了一套针对复杂索缆体系动力分析任务的完整方法体系，为复杂索缆结构的设计、运营期间的健康监测、以及振动控制等提供分析工具和理论依据。本项目取得了丰硕的成果，相应的应用工作也在课题组承担的大跨索承桥梁的监测、检测和研究项目中得以应用，先后服务于近20余座大桥的索缆监测识别，并和国内主要索缆制造单位建立合作关系。研究成果形成专利、软著数部，先后发表索缆相关的SCI论文近40余篇，引起了国际学术界瞩目，一篇论文两次成为ESI高被引(1%)和ESI热点（0.1%）论文，另一篇索缆动力学分析论文被国际著名工程新闻网站Advances In Engineering (AIE) 遴选为对“卓越工程”有显著贡献的科学论文，予以高亮专题报道，入选率为当年所有工程领域发表论文总数的1‰以内。