大跨度拱桥气动参数识别及风致响应研究

论文摘要

本文采用物理风洞试验和理论模型计算相结合的研究方法,对上海卢浦大桥、广州新光大桥、湖南茅草街大桥、浙江三门口大桥和宜宾岷江二桥风致振动进行了系统研究。主要对气动参数识别、抖振时域分析、静风稳定性分析、风振稳定性评价和涡振控制等进行了一系列研究工作。本文主要的研究工作和结论包括:1)采用测力天平对矩形拱肋、双陀螺形拱肋、四方柱拱肋和四圆柱拱肋节段模型进行了静风三分力系数识别。不同风攻角下的阻力系数变化幅值不大;四圆柱断面拱肋三分力系数的缩尺模型风洞试验结果受雷诺数影响较大,必须进行必要的修正。2)采用互功率谱方法对矩形拱肋、双陀螺形拱肋和四方柱拱肋节段模型进行了等效气动导纳试验识别。不同气动外形导纳函数识别结果的变化规律不完全相同,但均具有随折算频率递增而衰减的趋势。其中,0°风攻角下,三种不同拱肋模型识别出的阻力方向等效气动导纳函数总体上小于1;升力方向等效气动导纳函数在低频段大于1;折减频率较低的区域,矩形拱肋和双陀螺拱肋模型升力矩方向等效气动导纳函数也大于1。3)采用随机搜索法对矩形拱肋、双陀螺形拱肋和四方柱拱肋节段模型进行了18个气动导数识别,并对三座拱桥进行了抖振时域计算分析,探讨了自激力和气动导纳等因素对抖振响应的影响。气动导纳采用实测值、Sears函数和1等三种不同形式下,抖振位移有明显差别;自激力总体上会减小抖振位移,但幅度不大,工程计算中可以偏安全地忽略自激力的影响。4)采用塑性铰法和低松弛迭代法对广州新光大桥和浙江三门口大桥进行了静风稳定性分析,低松弛法的静风失稳临界风速比塑性铰法要小,偏于安全,而且不需要人为跟踪塑性铰,计算过程简单、实用。5)对大跨度拱桥潜在风振形式研究表明:拱桥驰振和颤振可能性很小、拱肋断面很钝时会出现涡激共振,但拱桥抖振现象比较普遍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 拱桥发展概述
• 1.1.1 石拱桥
• 1.1.2 钢筋混凝土拱桥
• 1.1.3 钢管混凝土拱桥
• 1.1.4 钢拱桥
• 1.2 大跨度拱桥抗风
• 1.2.1 拱桥抗风研究进展
• 1.2.2 拱桥风荷载特点
• 1.2.3 拱桥静风与阵风荷载
• 1.2.4 桥梁风致振动
• 1.3 拱桥抗风研究内容
• 第2章 拱肋断面定常气动力系数识别
• 2.1 矩形断面拱肋
• 2.1.1 有机玻璃模型设计
• 2.1.2 木模型设计
• 2.1.3 试验结果分析
• 2.2 双陀螺形断面拱肋
• 2.2.1 小模型设计
• 2.2.2 大模型设计
• 2.2.3 试验结果分析
• 2.3 四方柱断面拱肋
• 2.3.1 方钢管模型设计
• 2.3.2 有机玻璃模型设计
• 2.3.3 试验结果分析
• 2.4 四圆柱断面拱肋
• 2.4.1 四圆柱平行拱肋
• 2.4.2 四圆柱提篮拱肋
• 2.5 本章小结
• 第3章 拱肋断面气动导数
• 3.1 桥梁断面气动导数
• 3.1.1 自由振动法
• 3.1.2 强迫振动法
• 3.2 气动导数识别的随机搜索法
• 3.2.1 气动导数识别模型
• 3.2.2 气动导数识别方法
• 3.3 拱肋节段模型气动导数实验
• 3.3.1 拱肋节段模型基本参数
• 3.3.2 拱肋节段模型测振系统
• 3.4 拱肋模型识别结果的比较
• 3.4.1 模态与阻尼比分析
• 3.4.2 气动导数结果分析比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 拱肋断面气动导纳
• 4.1 气动导纳基本理论
• 4.1.1 气动导纳的概念
• 4.1.2 气动导纳的经验公式
• 4.2 气动导纳的识别方法
• 4.2.1 自谱识别方法
• 4.2.2 互谱识别方法
• 4.3 均匀格栅紊流场
• 4.4 气动导纳识别试验装置
• 4.4.1 实验模型设计
• 4.4.2 实验工况
• 4.5 气动导纳识别实验结果与分析
• 4.5.1 不同气动外形下的气动导纳
• 4.5.2 不同风攻角下的气动导纳
• 4.5.3 不同风速下的气动导纳
• 4.5.4 不同紊流度下的气动导纳
• 4.6 本章小结
• 第5章 大跨度拱桥抖振时域分析
• 5.1 风荷载计算
• 5.1.1 静风荷载
• 5.1.2 抖振力
• 5.1.3 自激力
• 5.2 对非线性因素的处理
• 5.2.1 结构几何非线性
• 5.2.2 气动力非线性
• 5.3 抖振时域非线性求解
• 5.4 理论分析与实验结果比较
• 5.4.1 风场数值模拟
• 5.4.2 响应时程和功率谱密度
• 5.4.3 不同气动导纳影响分析
• 5.4.4 自激力影响分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 大跨度拱桥静风稳定性分析
• 6.1 拱桥稳定性的基本概念
• 6.1.1 拱桥稳定线性理论
• 6.1.2 拱桥稳定非线性理论
• 6.1.3 拱桥静风失稳的影响因素
• 6.2 拱桥稳定性计算分析方法
• 6.2.1 机构稳定分析法
• 6.2.2 塑性铰法
• 6.2.3 低松弛迭代法
• 6.2.4 规范中稳定性计算方法
• 6.3 大跨度拱桥静风失稳分析
• 6.3.1 钢筋混凝土拱桥
• 6.3.2 钢拱桥
• 6.3.3 钢管混凝土拱桥
• 6.4 本章小结
• 第7章 拱桥风振稳定性研究
• 7.1 引言
• 7.2 驰振稳定性判断
• 7.2.1 驰振判断原理
• 7.2.2 五座拱桥驰振判断结果分析
• 7.3 涡激共振试验
• 7.3.1 宜宾岷江二桥涡振试验
• 7.3.2 上海卢浦大桥涡振试验
• 7.4 三维颤振稳定性分析
• 7.4.1 拱桥颤振判定分析方法
• 7.4.2 大跨度拱桥的三维颤振分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 主要研究工作
• 8.2 主要研究结论
• 8.2.1 定常气动力测量
• 8.2.2 气动导数识别
• 8.2.3 气动导纳识别
• 8.2.4 抖振时域分析
• 8.2.5 静风稳定性分析
• 8.2.6 风振稳定性研究
• 8.2.7 主要创新点
• 8.3 未来发展展望
• 8.3.1 气动参数识别
• 8.3.2 拱桥抖振计算
• 8.3.3 拱桥抗风稳定性研究
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文和研究成果