大跨度悬索桥成桥状态颤振分析

论文摘要

颤振是一种发散性的自激振动,它的发生主要是由于振动的结构能够在流动的空气中不断吸收能量,而该能量又大于结构阻尼在振动中所耗散的能量而引起的。当今,随着悬索桥跨度的日益增大,其刚度和阻尼显著减小,因此悬索桥的颤振稳定性已经成为大跨度悬索桥设计和施工中的关键问题。本文以主跨为1418m的南京四桥为工程背景,在现有的颤振频域和时域分析方法的基础上,通过计算分析和风洞试验,对大跨度悬索桥颤振问题进行了研究。本论文的主要工作有以下几方面：首先回顾了颤振的分析理论,然后基于桥梁二维颤振和三维多模态耦合颤振分析理论,运用数值编程软件编制了桥梁二维和三维颤振分析程序,并通过一个典型算例验证了程序的正确性和可靠性,之后对南京四桥成桥状态进行二维和三维颤振频域分析。其二,讨论了桥梁结构上的气动自激力在时域中的处理问题：利用有限元理论,把自激力的作用等效为作用在结构上的附加气动刚度矩阵和气动阻尼矩阵,实现自激力的时域化。基于有限元软件实现了桥梁颤振的时域分析,并通过一个典型算例验证了此方法的正确性和可靠性,然后结合南京四桥,对其进行成桥状态的三维颤振时域分析。其三,以南京四桥为工程背景,详细介绍在风洞中进行桥梁颤振试验的方法,研究该桥颤振特性并得出试验颤振临界风速,同时利用Van der Put颤振估算公式进行颤振临界风速的近似计算。继而通过采用平板颤振导数和实桥颤振导数,利用频域和时域分析方法,研究了桥梁颤振临界风速随结构阻尼比和来流风攻角变化的一般规律,探讨了颤振导数对桥梁颤振稳定性的影响,得到了一些有意义的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 现代悬索桥概述
• 1.1.1 现代悬索桥的发展
• 1.1.2 现代悬索桥加劲梁形式
• 1.2 大跨度悬索桥的空气动力现象
• 1.3 大跨度悬索桥颤振理论及分析方法
• 1.3.1 古典耦合颤振理论
• 1.3.2 分离流扭转颤振理论
• 1.3.3 颤振分析方法
• 1.3.3.1 颤振频域分析方法
• 1.3.3.2 颤振时域分析方法
• 1.3.3.3 风洞试验
• 1.4 本文主要工作内容
• 第2章 大跨度悬索桥颤振频域分析方法
• 2.1 颤振频域基本理论概述
• 2.2 二维颤振频域分析方法
• 2.2.1 二维颤振运动方程
• 2.2.2 二维颤振运动方程求解
• 2.3 三维多模态耦合颤振频域分析方法
• 2.3.1 三维颤振运动方程
• 2.3.2 三维颤振运动方程求解
• 2.4 三维多模态耦合颤振频域分析程序
• 2.5 算例分析与验证
• 2.6 本章小节
• 第3章 大跨度悬索桥颤振时域分析方法
• 3.1 引言
• 3.2 风荷载的时域化
• 3.2.1 静风荷载
• 3.2.2 抖振力时域化
• 3.2.3 自激力时域化
• 3.2.3.1 单位脉冲响应函数时域法
• 3.2.3.2 等效节点自激力时域法
• 3.3 桥梁结构动力有限元模型
• 3.4 时域运动平衡方程的求解
• 3.5 颤振时域分析步骤
• 3.6 算例分析与验证
• 3.7 本章小节
• 第4章 南京四桥颤振试验与颤振理论分析
• 4.1 南京四桥简介
• 4.1.1 工程概述
• 4.1.2 计算参数的确定
• 4.1.2.1 风速剖面
• 4.1.2.2 主梁高度处设计风速参数
• 4.2 南京四桥动力特性分析
• 4.2.1 基于Ansys的有限元建模
• 4.2.2 有限元模型动力特性计算
• 4.3 主梁节段模型风洞试验
• 4.3.1 静力三分力试验
• 4.3.1.1 模型及试验设备
• 4.3.1.2 试验结果
• 4.3.2 颤振临界风速测定及颤振导数试验
• 4.3.2.1 节段模型参数设计
• 4.3.2.2 动力节段模型系统及模型
• 4.3.2.3 颤振临界风速的测定
• 4.3.2.4 颤振导数的测量
• 4.4 全桥气动弹性模型颤振试验
• 4.4.1 模型设计与制作
• 4.4.2 模态测试
• 4.4.3 主梁在均匀流场下的试验
• 4.4.4 全桥气动弹性模型颤振稳定性
• 4.5 南京四桥颤振频域分析
• 4.5.1 二维颤振频域分析
• 4.5.1.1 基于平板颤振导数的成桥状态频域分析
• 4.5.1.2 基于实桥颤振导数的成桥状态频域分析
• 4.5.1.3 不同来流攻角时的成桥状态频域分析
• 4.5.1.4 不同结构阻尼比时的成桥状态频域分析
• 4.5.2 三维颤振频域分析
• 4.5.2.1 基于平板颤振导数的成桥状态频域分析
• 4.5.2.2 基于实桥颤振导数的成桥状态频域分析
• 4.5.2.3 不同来流攻角时的成桥状态频域分析
• 4.5.2.4 不同结构阻尼比时的成桥状态频域分析
• 4.6 南京四桥颤振时域分析
• 4.6.1 时域分析模型的建立
• 4.6.2 基于不同颤振导数的成桥状态时域分析
• 4.6.3 不同来流攻角时的成桥状态颤振时域分析
• 4.6.4 不同结构阻尼比时的成桥状态颤振时域分析
• 4.7 颤振临界风速的经验公式估算
• 4.8 基于风洞试验的结果对比及原因分析
• 4.9 颤振导数对颤振稳定性的影响
• 4.10 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目