悬索跨越管道随机风振响应与时变可靠度研究

论文摘要

风荷载是结构的主要荷载之一,特别是目前对管道跨越能力的要求不断提高,结构具有更大的柔性使得风荷载可能成为控制结构设计的关键因素。同时,长时间持续的风致振动可能使结构某些部分如节点、支座等产生疲劳损伤,结构可能因为疲劳损伤累积到一定程度而引起局部或整体的破坏。因此,综合考虑强度和疲劳问题,研究悬索跨越管道结构在风荷载作用下的时变可靠性对结构的正常使用具有重要意义。本文首先采用小波逆变换方法对作用在悬索跨越管道上的风速时程进行模拟,并应用随机振动理论进行了风振响应分析。同时,通过研究建立了该类结构随机时变力学模型,对典型悬索跨越管道工程实例进行了风振响应分析及时变可靠性研究。利用疲劳累积损伤理论计算了风荷载作用下悬索跨越管道的随机时变可靠度。此外,还运用断裂力学方法分析了材料有初始裂纹的管道在风荷载作用下的裂纹扩展及疲劳损伤。研究表明:悬索式跨越管道是一种低固有频率的柔性结构体系,对风载荷作用非常敏感;在顺向风作用下随着平均风速的增加和结构抗力的变化,悬索管道的位移响应增加得越来越快;在平均风速很小的情况下,管道就可能发生横风向共振,但主索、吊索、斜拉索和管道上关键点的应力变化幅度都很小,因此,管道在横向风作用下节点的交变应力对结构疲劳寿命的影响可以忽略不计;在风荷载作用下主索、斜拉索和管道上关键点应力远低于其屈服强度,表明该结构具有很强的抵抗风荷载作用的能力。但是该类结构在受到多次重复变化的风荷载作用后,可能会产生疲劳累积损伤破坏;此外,材料的初始裂纹会加剧风荷载作用下结构的疲劳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 绪论
• 0.1 引言
• 0.2 近地风及抗风研究必要性
• 0.2.1 近地风
• 0.2.2 抗风研究必要性
• 0.3 悬索跨越管道及其风振响应研究现状
• 0.3.1 悬索跨越管道结构特点及应用
• 0.3.2 跨越结构风振响应研究现状
• 0.4 风场模拟的研究现状
• 0.5 可靠度研究现状
• 0.6 本文工程背景介绍
• 0.7 本文主要工作
• 第一章 悬索跨越管道随机风振响应分析
• 1.1 引言
• 1.2 时域内风振响应分析
• 1.2.1 利用小波逆变换方法模拟脉动风速时程
• 1.2.2 Newmark 法求解结构动力响应
• 1.3 横风向风振响应计算
• 1.3.1 雷诺数（Reynold）
• 1.3.2 漩涡脱落频率及共振验算
• 1.3.3 涡激振动
• 1.4 结构风振可靠性分析
• 1.4.1 结构时变抗力
• 1.4.2 结构时变可靠度
• 1.4.3 超越分析
• 1.5 悬索跨越管道随机风振响应分析及时变可靠性分析计算
• 1.5.1 悬索跨越管道固有振动特性
• 1.5.2 顺风向响应计算结果
• 1.5.3 横风向响应计算结果
• 1.5.4 风振可靠性计算结果
• 1.6 小结
• 第二章 悬索跨越管道风振疲劳累积损伤分析
• 2.1 引言
• 2.2 疲劳的基本概念
• 2.3 疲劳累积损伤及疲劳寿命估计
• 2.3.1 疲劳寿命估算模型
• 2.3.2 疲劳累积损伤理论
• 2.3.3 疲劳累积损伤的时域内计算
• 2.3.4 疲劳损伤的估计流程
• 2.3.5 钢结构规范中有关疲劳计算
• 2.4 疲劳可靠性
• 2.5 悬索跨越管道风振疲劳可靠性计算
• 2.6 小结
• 第三章 基于断裂力学的悬索跨越管道风振疲劳裂纹扩展分析
• 3.1 引言
• 3.2 疲劳裂纹扩展理论
• 3.2.1 断裂力学理论
• 3.2.2 应力强度因子
• 3.2.3 断裂韧性
• 3.2.4 疲劳裂纹扩展速率
• 3.3 基于断裂力学法疲劳寿命分析
• 3.4 蒙特卡洛方法模拟随机裂纹扩展
• 3.4.1 裂纹扩展的统计分散性
• 3.4.2 随机裂纹扩展的蒙特卡洛模拟方法
• 3.5 悬索跨越管道风振疲劳裂纹扩展计算
• 3.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要