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研究生: 黃子沂
HUANG, ZIH-YI
論文名稱: 橋梁纜索系統之幾何力學分析與動力反應研究
Study on Geometric Mechanical Analysis and Dynamic Responses of Bridge Cable Systems
指導教授: 朱世禹
Chu, Shih-Yu
方中
Fang, Chung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2026
畢業學年度: 114
語文別: 中文
論文頁數: 154
中文關鍵詞: 纜索動力分析纜索幾何非線性彈性懸鏈索非同步支承擾動索力識別纜索支承橋梁
外文關鍵詞: Cable dynamic analysis, Geometric nonlinearity, Elastic catenary cable, Asynchronous support excitation, Cable tension identification, Cable-supported bridges
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  • 纜索構件為各類索支承橋梁之重要承重或輔助支撐構件,其力學行為受到自重、垂度及初始索力影響,並呈現張力相依之有效勁度。傳統線性弦理論雖便於工程分析,惟未能完整反映纜索自重與構形變化;當支承擾動幅值增大或擾動頻率接近自然頻率時,纜索可能產生明顯之位移、索力變化及頻率偏移,使線性模型之適用性降低。
    本研究以彈性懸鏈線理論為基礎,採拉格朗日座標描述大變形行為,建立三維非線性索元素並推導其切線勁度矩陣。動力分析採絕對座標法,結合 Newmark-β 積分與 Newton–Raphson 迭代程序,求解非同步支承擾動下之線性與非線性動力歷時反應。透過不同初始索力、擾動幅值及擾動頻率之參數分析,並以動態索力增量、極值誤差、正規化均方根誤差及相關係數等指標,評估線性分析之適用性。另結合 Irvine 參數λ 與無因次擾動幅值D/L,分別表徵纜索之幾何非線性特性及外部擾動程度,建立分析前可供初步判斷之示警門檻與非線性分析建議門檻。
    工程案例以成功吊橋主索為對象,將吊索傳遞之橋體重量等效為離散集中力,建立主索靜力平衡模型,比較實際線形與設計線形之索力狀態及模態頻率,並探討支承擾動下之動力反應與線性分析適用性。此外,針對斜張橋縮尺模型之 C10 斜索,結合振動台試驗與數值分析,評估端部彈簧、抗彎連桿及支承拘束所形成之複合邊界條件對振動頻率、位移與索力反應之影響。結果顯示,提高初始索力可降低位移反應與動態索力增量,並延後明顯非線性行為之發生;然而,當擾動頻率接近自然頻率時,即使輸入幅值較小,仍可能因共振放大而造成線性與非線性結果之顯著差異。索力損失則會增加垂度,並降低幾何勁度與自然頻率。因此,纜索非線性動力分析之啟用,應綜合考量初始索力、擾動幅值與頻率、邊界條件及頻率偏移等因素。

    Cables are important load-carrying components in cable-supported bridges, and their mechanical behavior is strongly influenced by self-weight, sag, and initial tension. This study develops a three-dimensional nonlinear cable element based on elastic catenary theory using a Lagrangian formulation and derives the corresponding tangent stiffness matrix. Dynamic responses under asynchronous support excitation are solved using the Newmark-β method combined with Newton–Raphson iteration. Parametric analyses are conducted for different initial cable tensions, excitation amplitudes, excitation frequencies, and cable tension-loss conditions. The Irvine parameter λ and the dimensionless excitation amplitude D/L are further used to establish warning and nonlinear-analysis thresholds.
    The Chenggong Suspension Bridge and Cable C10 of a scaled cable-stayed bridge model are examined as engineering and experimental cases, respectively. Results show that higher initial tension generally reduces displacement and cable-force variations and delays significant nonlinear behavior. Resonance substantially narrows the applicable range of linear analysis, while cable tension loss increases sag and reduces geometric stiffness and natural frequency. The Cable C10 results also indicate that measured frequencies under complex boundary conditions should not be interpreted directly using ideal string theory. Overall, the proposed framework provides a practical reference for selecting between linear and nonlinear dynamic analysis.

    摘要 I Extended Abstract II 致謝 VII 目錄 VIII 表目錄 XI 圖目錄 XIII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 本文內容 4 第二章 理論介紹 7 2.1 基本理論與纜索力學特性 7 2.2 纜索於橋梁之應用與受力機制 8 2.2.1 懸索橋之主纜索 9 2.2.2 斜張橋之斜拉索 9 2.2.3 脊背橋之斜拉索 9 2.3 纜索靜力線型之計算方法 10 2.3.1 拋物線法 10 2.3.2 古典懸鏈索 11 2.3.3 彈性懸鏈索 12 2.4 小規模吊橋主索設計概念之延伸應用 14 2.5 基本弦定理 16 2.6 考慮彎曲剛度之軸力梁理論 16 2.7 複合邊界條件對纜索頻率之影響 17 2.8 淺垂度纜索之線性動力理論 18 2.8.1 橫向水平運動(Out-of-plane Motion) 20 2.8.2 面內反對稱模態(Antisymmetric In-plane Modes) 21 2.8.3 面內對稱模態(Symmetric In-plane Modes) 21 2.9 纜索非線性動力理論與硬化和軟化現象 22 2.10 三維懸鏈索元素 24 2.11 吊索集中力作用下之主索靜力平衡 27 第三章 纜索動力歷時分析 31 3.1 纜索初始靜力平衡構型之求解 31 3.2 動力分析方程式與阻尼矩陣設定 32 3.3 線性動力分析 34 3.4 非線性動力歷時分析 36 3.5 支承擾動輸入之處理方式 38 3.5.1 支承同步擾動 38 3.5.2 支承非同步擾動 39 第四章 數值案例分析與模型驗證 44 4.1 初始線型案例比對 44 4.2 與SAP2000數值模型之比較驗證 45 4.3 判斷指標介紹 47 4.4 探討模型及案例介紹 50 4.5 初始索力對於非線性行為之影響 51 4.6 纜索於共振條件下之探討 54 4.6.1 共振非線性動態特徵探討 54 4.6.2 纜索頻率偏移非線性軟/硬化行為 55 4.7 一般擾動與共振條件下綜合指標交互對比 56 4.8 索力損失預測與案例門檻位移推估 57 4.8.1 無因次門檻趨勢與工程案例推估 57 4.8.2 服役劣化造成之索力損失評估 58 4.8.3 線性與非線性動力分析建議流程 59 4.9 實際懸索橋主索受吊索集中載重作用之工程案例 60 4.9.1 設計線型與實際線型之靜力平衡比較 60 4.9.2 成功吊橋主索之動力案例分析 62 第五章 振動台試驗之纜索 106 5.1 振動台試驗與目標纜索 106 5.2 實測頻率與理論索力檢核 107 5.3 複合邊界條件下之模型修正 108 5.4 實測支承位移輸入與模型驗證 109 5.5 單索校正延伸至整體橋梁頻率分析 110 5.6 本章小結 111 第六章 結論與未來展望 123 6.1 總結 123 6.2 未來展望 125 參考文獻 127

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