大跨度中承式拱桥风致振动研究

论文摘要

大跨度中承式拱桥属于柔性结构,在风振作用下很容易发生静风失稳、抖振和涡激振动等风致响应。与大跨度的悬索桥、斜拉桥等桥型不同,大跨度中承式拱桥属于三维受力结构体系,在风致振动时需要考虑主梁与主拱的协同作用。主拱风荷载比较复杂,需要考虑风速沿高度变化、荷载空间相关性以及主拱之间相互干扰等因素。并且,钝体截面的主拱在低风速下容易产生涡激振动。因此,根据大跨度中承式拱桥的上述特点,针对大跨度中承式拱桥静风稳定性、抖振以及涡激振动等方面进行了较为深入的研究。本文的工作主要有以下几个方面:(1)系统地分析了单拱及双拱相互干扰下的静风荷载情况。以重庆菜园坝长江大桥为例,通过单拱与双拱节段模型风洞试验与流体力学数值模拟,讨论了不同攻角、不同间距下单拱与双拱相互干扰下静力三分力系数的变化规律。分析表明,单拱阻力系数变异性较小,升力系数与力矩系数变异系数较大。双拱的静力三分力系数、变异性以及受湍流度的影响等均与两拱间距宽度比及竖向相对位移有关。(2)发展了大跨度中承式拱桥在静风荷载作用下的全过程位移响应分析方法,深入分析了静风作用下大跨度中承式拱桥的屈服失稳机理。分析表明,考虑静力三分力非线性使得极限风速减小,同一风速下计算的内力和位移偏大。静风初始攻角与材料的屈服强度对静风承载力影响较大。不同施工态的极限风速都由施工塔架的稳定性决定。(3)提出了在湍流中两榀拱相互干扰下风荷载功率谱的求解方法。通过在湍流中的双拱测压节段模型试验,深入探索了由于两榀拱之间干扰而导致两拱抖振力的变化规律。以单拱脉动风速功率谱为参照,根据均方值等效的原则确定在湍流中两拱的脉动风速功率谱。实践表明,上述求解是比较准确的。(4)推导了用于大跨度中承式拱桥抖振分析的运动方程。该方程考虑了风速随高度变化、主梁与主拱耦合振动以及多模态和模态耦合效应。分别采用SRSS法、CQC法以及虚拟激励法对重庆菜园坝长江大桥进行抖振分析。分析表明,SRSS法误差较大,高阶模态对结果有显著影响,水平风速谱对抖振起到主要作用,交叉风速谱在计算中可以不计,由于受干扰影响,后拱的荷载功率谱及响应结果都明显增大。(5)模拟了大跨度中承式拱桥的三维风场,实现了大跨度中承式拱桥的时域分析。利用谐波合成法,考虑两拱抖振力功率谱相互干扰、空间相关性等因素实现了风场模拟。对随机数生成及时间间隔取值问题给出了建议。采用FFT变换、编程优化以及功率谱插值等技术,大大提高了模拟的效率。时域分析的结果与试验吻合较

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪 论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 桥梁静风稳定性分析
• 1.2.2 桥梁抖振分析
• 1.2.3 涡激振动分析
• 1.2.4 风工程的研究方法
• 1.3 研究的目的和主要研究内容
• 1.3.1 研究的目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 空气静力稳定性分析
• 2.1 引言
• 2.2 主梁非线性静风荷载
• 2.2.1 主梁的非线性荷载描述
• 2.2.2 主梁静力三分力试验
• 2.3 主拱非线性静风荷载
• 2.3.1 拱的非线性荷载描述
• 2.3.2 主拱静力三分力试验
• 2.3.3 CFD 数值分析
• 2.4 非线性静风失稳过程及求解思路
• 2.5 重庆菜园坝长江大桥静风稳定分析
• 2.5.1 计算模型与参数
• 2.5.2 成桥运营状态静风稳定分析
• 2.5.3 主梁最大悬臂状态
• 2.5.4 主拱最大悬臂状态
• 2.6 本章小结
• 3 频域抖振分析
• 3.1 引言
• 3.2 气动力模型
• 3.2.1 主梁抖振力模型
• 3.2.2 自激力表达式
• 3.2.3 主拱抖振力模型
• 3.3 抖振气动力求解
• 3.3.1 主梁抖振力
• 3.3.2 颤振导数的时域识别方法
• 3.3.3 主拱抖振力
• 3.4 频域求解方法
• 3.4.1 频域有限元方程
• 3.4.2 风速谱的选取
• 3.4.3 完全正交组合法
• 3.4.4 平方和开方法
• 3.4.5 虚拟激励法
• 3.5 重庆菜园坝长江大桥频域抖振分析
• 3.5.1 模态分析
• 3.5.2 各阶模态下抖振响应
• 3.5.3 各个分量占的比值
• 3.5.4 后拱风功率谱变化的影响
• 3.5.5 SRSS 法计算结果
• 3.6 本章小结
• 4 时域抖振分析
• 4.1 时域自激力
• 4.2 三维空间脉动风场模拟
• 4.2.1 谐波合成法
• 4.2.2 线性滤波法
• 4.2.3 风场模拟讨论
• 4.3 非线性体系运动平衡方程的求解
• 4.4 重庆菜园坝长江大桥抖振分析
• 4.4.1 空间三维脉动风场模拟
• 4.4.2 抖振时域分析
• 4.5 本章小结
• 5 涡激振动分析
• 5.1 引言
• 5.2 涡激振动模型
• 5.2.1 耦合模型
• 5.2.2 非耦合模型
• 5.3 涡激振动试验
• 5.3.1 单拱涡激振动试验
• 5.3.2 双拱涡激振动试验
• 5.4 结构响应求解
• 5.4.1 引言
• 5.4.2 涡激振动有限元分析
• 5.4.3 运动方程的求解
• 5.4.4 计算实例
• 5.5 本章小结
• 6 全桥气动弹性模型风洞试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 相似原理
• 6.3 重庆菜园坝长江大桥气动弹性模型风洞试验
• 6.3.1 相似比参数
• 6.3.2 模型设计
• 6.3.3 试验工况
• 6.3.4 气动弹性模型模态测试
• 6.3.5 试验结果
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 有待于进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 用于风致振动分析的有限元程序 3DFIN
• 附录 B 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 附录 C 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书