沿海地区风场特性实测分析与大跨度桥梁抖振响应研究

论文摘要

大跨度桥梁桥位处风场特性是桥梁风工程领域中的基础性研究之一,桥位处风场特性的实测研究成果,可为桥梁抗风设计和风洞试验风场模拟提供依据。抖振响应现场实测结果可为完善桥梁抖振分析理论,验证风洞试验、改进风洞试验技术提供重要参数。本文在我国沿海地区风场特性长期连续现场实测基础上,提出沿海地区强风和季风的风场特性参数,如平均风速、平均风向、平均风攻角、风速剖面、紊流强度、紊流积分尺度、紊流功率谱以及脉动风速空间相关性等参数,并对这些风特性参数进行了深入分析。开展了斜风作用下分离式钢箱梁断面气动力现场实测和节段模型风洞测压试验,研究了斜风作用下分离式钢箱梁断面气动力分布特性、断面的静力三分力系数以及气动导纳函数。结合现场实测、全桥气弹模型风洞试验和计算分析对斜风作用下大跨度桥梁抖振响应进行了综合分析。本文研究工作可以归结为以下五个方面：1.介绍了风场特性现场实测研究的观测仪器、观测站布置,实测数据处理方法以及风场特性参数的分析方法；2.在对我国沿海地区风场长期连续现场实测基础上,分析强风和季风气候下沿海地区的平均风速、风向、风攻角、风速剖面、脉动风紊流强度、阵风因子、摩擦速度、紊流积分尺度以及脉动风速功率谱和脉动风速空间相关性等风场特性参数,并分析了这些风参数之间的相关关系；3.开展了大跨度桥梁抖振响应的现场实测以及全桥气弹模型风洞试验,研究了大跨径桥梁的抖振响应,分析了斜风作用下主梁抖振响应；4.采用自主研制的同步测压系统,对西堠门大桥主梁分离式钢箱梁断面开展了现场风压实测以及相应的节段模型风洞试验研究。研究了断面的气动力分布特性,识别了斜风作用下断面的静力三分力系数以及气动导纳函数等气动参数；5.采用现场实测获得的风场特性参数、斜风下的静力三分力系数、斜风下气动导纳函数和修正后的颤振导数等气动参数,分析了斜风作用下西堠门大桥的抖振响应,比较了不同气动导纳函数对抖振响应的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 悬索桥发展历程
• 1.2 桥梁风工程的发展
• 1.3 大跨度桥梁斜风作用下的抖振响应研究
• 1.4 大跨度桥梁现场实测研究
• 1.4.1 风场特性实测研究
• 1.4.2 主梁抖振响应现场实测研究
• 1.5 本文研究背景
• 1.6 本文研究的工作
• 1.6.1 本文研究的目的和意义
• 1.6.2 本文所做的工作
• 第2章 风场特性现场实测和分析技术
• 2.1 概述
• 2.2 自然风特性参数
• 2.2.1 平均风速、平均风向和平均风攻角
• 2.2.2 平均风剖面
• 2.2.3 紊流强度和阵风因子
• 2.2.4 摩擦速度
• 2.2.5 紊流积分尺度
• 2.2.6 脉动风速紊流功率谱密度
• 2.2.7 紊流空间相关性
• 2.3 风场特性的现场实测研究
• 2.3.1 风场特性观测—仪器及测量位置
• 2.3.2 原始实测数据的预处理
• 2.3.3 桥面高度风攻角测量数据修正
• 2.3.4 非平稳脉动风速的处理
• 2.4 本章小结
• 第3章 沿海地区强风特性实测结果分析
• 3.1 强风实测结果分析
• 3.1.1 平均风速、风向和风攻角
• 3.1.2 紊流强度和阵风因子
• 3.1.3 摩擦速度
• 3.1.4 紊流积分尺度
• 3.1.5 紊流强度与紊流积分尺度相关性
• 3.1.6 脉动风速紊流功率谱
• 3.2 季风风场特性实测分析
• 3.2.1 平均风速和风向
• 3.2.2 平均风速剖面及特点
• 3.2.3 紊流强度、阵风因子
• 3.2.4 摩擦速度
• 3.2.5 紊流积分尺度
• 3.2.6 脉动风速功率谱密度函数
• 3.2.7 脉动风速空间相关性
• 3.3 本章小结
• 第4章 斜风下主梁抖振响应现场实测及风洞试验研究
• 4.1 大跨度桥梁抖振响应现场实测
• 4.1.1 抖振响应现场实测观测仪器以及观测位置
• 4.1.2 常用坐标系
• 4.1.3 GPS坐标系转换
• 4.1.4 施工阶段主梁实测抖振响应分析
• 4.1.5 成桥状态抖振位移测量
• 4.2 大跨度桥梁抖振响应全桥气弹模型风洞试验研究
• 4.2.1 全桥气弹模型设计原则
• 4.2.2 全桥气弹模型设计
• 4.2.3 斜风作用下成桥态主梁的抖振试验
• 4.3 本章小结
• 第5章 分离式钢箱梁断面风荷载及气动导纳研究
• 5.1 概述
• 5.2 断面风压测量
• 5.2.1 风压测量系统
• 5.2.2 现场风压实测布置
• 5.2.3 节段模型测压模型风洞试验
• 5.3 风压数据处理
• 5.3.1 瞬时风压系数
• 5.3.2 平均风压系数
• 5.3.3 脉动风压系数均方根
• 5.3.4 静力三分力系数
• 5.3.5 基于斜风分解法的静力三分力
• 5.3.6 气动导纳函数
• 5.4 节段模型测压试验结果及分析
• 5.4.1 模型平均压力系数分布特征
• 5.4.2 模型脉动压力分布特征
• 5.5 现场压力实测结果
• 5.5.1 现场实测平均压力分布特征
• 5.5.2 现场实测脉动压力系数分布
• 5.5.3 现场实测与风洞试验对比研究
• 5.6 斜风作用下断面静力三分力系数
• 5.7 分离式箱梁断面气动导纳
• 5.8 本章小结
• 第6章 大跨度桥梁抖振响应分析
• 6.1 概述
• 6.2 基于虚拟激励法大跨度桥梁抖振响应分析
• 6.3 颤振导数修正
• 6.4 结构动力特性
• 6.5 主梁抖振响应计算和试验结果的对比
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文