桥梁主梁涡激振动理论预测模型研究

论文摘要

大跨度桥梁具有结构柔、质量轻、阻尼比低的特点,对风的作用十分敏感。涡激振动是大跨度桥梁在低风速下很容易出现的一种风致振动现象。它发生的风速低、频率高,有可能导致杆件裂纹和构件疲劳破坏,影响行车安全性和舒适度。在国内外多座桥梁上均发生了涡激振动现象,涡激振动已成为大跨度桥梁结构抗风设计的关键问题之一。目前涡激振研究主要采用理论解析模型、风洞试验和数值模拟方法。本文主要针对主梁的涡激振动理论预测模型进行研究。主要研究内容如下:1.回顾总结了大跨度桥梁涡激振动研究现状和涡激振动研究的主要方法。2.介绍了漩涡的形成、发展和脱落以及部分桥梁主梁涡激振动理论解析模型,采用P. D’Asdia & S. Noe*涡激力模型,编写了相应的涡激振动二维时域分析程序,计算了不同阻尼比的弹性悬挂圆柱体涡激振动响应。并采用该方法计算了宽高比为5的矩形断面和大带东桥主桥主梁涡激振动响应曲线,计算结果与试验结果和已有文献结果吻合良好。3.介绍了近地风特性和湍流对涡激振动的影响,将脉动风的影响引入涡激振动解析模型,建立了脉动风场下的P. D’Asdia & S. Noe*涡激力模型,并用此模型求解正弦脉动风作用下的弹性悬挂圆柱体涡激振动响应,研究了不同湍流度下的弹性悬挂圆柱体的涡激振动响应,计算结果表明:正弦脉动风场下,涡激振动起振风速比均匀流偏高,锁定区间宽度比均匀流场下要窄,涡振振幅随着湍流度的增大而减小。4.介绍了大气边界层的主要研究方法和脉动风谱的数值模拟,将采用谐波合成法模拟的水平向和竖向的脉动风时程代入脉动风场作用下的P. D’Asdia & S. Noe*涡激力模型,研究了随机脉动风场作用下的圆柱体涡激振动响应,计算结果表明:在低湍流度下有涡激振动现象,湍流度的增大以后没有明显的涡激振动现象。5.以京包高速上地斜拉桥为实例,采用P. D’Asdia & S. Noe*涡激力模型计算了不同阻尼比条件下的斜拉索涡激振动响应,并通过斜拉索节段模型风洞试验研究了不同阻尼比条件下的斜拉索涡激振动锁定现象,将时域分析结果和风洞试验结果进行对比和分析,结果总体吻合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 大跨度桥梁的发展
• 1.2 桥梁涡振以及研究现状
• 1.2.1 桥梁涡激振动实例
• 1.3 涡激振动研究方法
• 1.3.1 现场实测法
• 1.3.2 理论分析法
• 1.3.3 风洞试验法
• 1.3.4 数值模拟方法
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 涡激振动基本理论
• 2.1 涡激振动特性与原理
• 2.1.1 边界层与分离
• 2.1.2 漩涡脱落与再附现象
• 2.1.3 锁定现象
• 2.2 涡激振动响应解析模型
• 2.2.1 简谐力模型
• 2.2.2 尾流振子模型
• 2.2.3 经验线性模型
• 2.2.4 经验非线性模型
• 2.2.5 Larsen广义经验非线性模型
• 2.2.6 P. D’Asdia & S. Noe*涡激力模型
• 2.3 圆柱体涡激振动响应计算
• 2.3.1 Runge-Kutta数值方法
• 2.3.2 圆柱体涡激振动计算参数
• 2.3.3 圆柱体涡激振动计算结果
• 2.4 矩形断面涡激振动响应计算
• 2.4.1 矩形断面涡激振动响应计算参数
• 2.4.2 矩形断面涡激振动响应计算结果
• 2.5 大带东桥涡激振动响应计算
• 2.5.1 大带东桥简介
• 2.5.2 大带东桥主梁涡激振动响应计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 正弦脉动风下的涡振响应计算
• 3.1 近地风特性
• 3.1.1 大气边界层
• 3.1.2 平均风特性
• 3.1.3 脉动风特性
• 3.2 湍流影响下的涡激振动
• 3.2.1 湍流与涡旋
• 3.2.2 湍流对涡振的影响
• 3.3 湍流下的P. D’Asdia & S. Noe*涡激力模型
• 3.3.1 确定频率脉动风的模拟
• 3.3.2 引入湍流后的涡激力模型
• 3.4 湍流风场下圆柱体涡激振动响应计算
• 3.4.1 湍流风场下圆柱体涡激振动计算参数的确定
• 3.4.2 湍流风场下圆柱体涡激振动计算结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 随机脉动风下的涡振响应计算
• 4.1 大气边界层模拟及脉动风谱
• 4.1.1 大气边界层的研究方法
• 4.1.2 脉动风谱
• 4.2 脉动风场的数值模拟
• 4.2.1 脉动风模拟方法
• 4.2.2 风速时程数值模拟
• 4.3 脉动风场下圆柱体涡激振动响应计算
• 4.3.1 计算参数的确定
• 4.3.2 计算结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 斜拉索涡激振动试验研究
• 5.1 工程概况
• 5.2 斜拉索结构振动频率计算
• 5.3 斜拉索节段模型试验
• 5.3.1 斜拉索二元刚体节段模型设计与制作
• 5.3.2 斜拉索二元刚体节段模型测振试验参数
• 5.3.3 斜拉索涡激共振试验
• 5.4 斜拉索涡振时域分析
• 5.4.1 斜拉索拉索计算参数
• 5.4.2 斜拉索涡激振动计算结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所参与的科研目录