潜浮式倒悬索桥动力性能试验与理论研究

论文摘要

为了将海南省公路网与大陆公路网连成一体,推动海南省社会与经济发展,我国正积极规划建设琼州海峡跨海通道工程。潜浮式倒悬索桥是将悬索桥和阿基米德桥相结合而构造的一种新桥型,具有悬索桥和阿基米德桥的双重优点,可以作为琼州海峡跨海通道工程的比选方案。潜浮式倒悬索桥一般处于水下30m左右,环境条件比较复杂,当外界产生的激振力引起桥体共振时,将对潜浮式倒悬索桥的结构强度,车辆的正常运营,司机及乘客的舒适性等带来严重影响。因此,研究潜浮式倒悬索桥与水的耦合振动,了解潜浮式倒悬索桥在动态条件下的自振频率是十分必要的。本文以潜浮式倒悬索桥的动力特性为研究对象,首先介绍了阿基米德桥、悬索桥和潜浮式倒悬索桥的概念和特点,阐述了阿基米德桥的国内外研究动态,论证了潜浮式倒悬索桥的优越性及课题研究的意义;其次分析了环境荷载对潜浮式倒悬索桥动力特性的影响,探索了应用ANSYS有限元软件对流固耦合系统进行模态分析的计算方法;为了研究水对潜浮式倒悬索桥的重点部位深水墩动力性能的影响,组建了两套测试系统,对两组不同形状的桥墩模型进行了动力特性试验,测量模型的自振频率,得出桥梁在振动过程中形成桥墩与水的耦合作用,随着水深的增加,桥墩阻尼逐渐加大而自振频率逐渐降低,当水位达到桥墩一定高度时,水对桥墩自振频率的影响已不能忽略等结论;为了设计潜浮式倒悬索桥的模型和试验方案,本文预先采用潜浮式倒悬索桥的简化模型进行模态试验,测试模型在不同水位下的自振频率,研究水位对潜浮式倒悬索桥简化模型动力性能的影响程度,总结试验经验和试验规律,从而为潜浮式倒悬索桥的动力性能试验奠定基础;最后对2m的潜浮式倒悬索桥的密封舱和整体系统进行了动力性能模型试验,研究了潜浮式倒悬索桥密封舱的垂向振动和水平振动自振频率随水位的改变及不同边界条件下的变化规律,得出许多有意义的结论。希望本文的研究成果对今后水中悬浮隧道的设计、计算提供一些有益的参考和借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概论
• 1.2 阿基米德桥的概念及其特点
• 1.2.1 阿基米德桥的概念
• 1.2.2 阿基米德桥的特点
• 1.3 悬索桥的概念及其特点
• 1.3.1 悬索桥的概念
• 1.3.2 悬索桥的特点
• 1.4 潜浮式倒悬索桥的概念及其特点
• 1.4.1 潜浮式倒悬索桥的概念
• 1.4.2 潜浮式倒悬索桥的特点
• 1.5 阿基米德桥、悬索桥及潜浮式倒悬索桥的国内外研究现状
• 1.5.1 阿基米德桥的国内外研究现状
• 1.5.1.1 阿基米德桥的国内外研究成果
• 1.5.1.2 阿基米德桥关于动力方面的国内外研究现状
• 1.5.1.3 阿基米德桥关于模型实验的国内外研究进展
• 1.5.2 悬索桥的国内外研究现状
• 1.5.3 潜浮式倒悬索桥的国内外研究现状
• 1.6 论文研究的意义和内容
• 1.6.1 论文研究的意义
• 1.6.2 论文研究的内容
• 第2章 潜浮式倒悬索桥振动分析
• 2.1 概论
• 2.2 潜浮式倒悬索桥所受的环境荷载
• 2.2.1 海水荷载产生的动力反应
• 2.2.2 地震荷载产生的动力反应
• 2.3 潜浮式倒悬索桥的振动类型及产生耦合的原因
• 2.3.1 振动类型
• 2.3.2 水对潜浮式倒悬索桥总振动的影响
• 2.3.3 流固耦合振动
• 2.3.4 振动方程
• 2.4 潜浮式倒悬索桥的数值计算
• 2.4.1 力学模型
• 2.4.2 力学计算方法
• 2.5 ANSYS流固耦合分析方法
• 2.5.1 ANSYS模态分析的方法步骤
• 2.5.2 流固耦合模态分析举例
• 2.6 本章小结
• 第3章 深水桥墩模型试验
• 3.1 概论
• 3.2 实验模型
• 3.2.1 模型设计
• 3.2.2 试验装置
• 3.3 共振法
• 3.3.1 空气中的模型试验
• 3.3.2 水中的模型试验
• 3.4 频谱法
• 3.4.1 试验方法与步骤
• 3.5 本章小结
• 第4章 深水桥墩模型的试验结果分析
• 4.1 板式桥墩模型试验结果
• 4.2 圆柱桥墩模型试验结果
• 4.3 水对桥墩阻尼的影响
• 4.3.1 理论分析
• 4.3.2 阻尼计算
• 4.4 试验数据分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 潜浮式倒悬索桥简化模型试验
• 5.1 概论
• 5.2 模型试验
• 5.2.1 模型设计
• 5.2.2 试验装置
• 5.2.3 试验方法
• 5.3 试验图形
• 5.4 有限元软件ANSYS数值模拟
• 5.5 试验结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 潜浮式倒悬索桥模型的动力性能试验
• 6.1 概论
• 6.2 模型设计
• 6.3 模型试验
• 6.3.1 试验装置
• 6.3.2 试验步骤
• 6.4 试验结果
• 6.5 试验结果分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 存在的问题与建议
• 参考文献
• 致谢
• 硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目