龙潭河特大桥静力稳定性及风致抖振时域分析

论文摘要

随着计算技术的提高、新型材料的运用和施工技术的进步,桥梁向大跨、轻质方向发展,稳定性及抗风方面的问题日益突出。因此,对此类桥梁结构的稳定及抗风进行深入的研究将是十分必要的。本文主要以沪蓉国道主干线宜昌至恩施段一座高墩大跨连续刚构桥——龙潭河特大桥为工程背景,对其静力稳定性及风致抖振响应时域分析展开研究,包括如下四个方面的内容。在静力稳定性方面,通过对薄壁构件局部稳定的解析分析,给出不同约束条件下满足混凝土薄壁局部稳定的最小宽厚比的限制值。分别采用ANSYS中梁单元和壳单元建立了龙潭河特大桥在不同阶段的空间有限元模型,对其在不同施工阶段以及成桥阶段的各工况进行了第一类稳定分析;引入单边日照效应产生的初始缺陷,考虑结构几何非线性因素的影响,采用改进的Newton-Rahpson迭代法分析其在施工、成桥阶段不同荷载工况下的第二类稳定性。最后,对龙潭河特大桥的稳定安全性能作出评价。在风洞试验研究方面,首先通过节段模型试验和CFD计算方法确定了龙潭河大桥梁、墩截面的气动力系数。在此基础上,对龙潭河特大桥主桥结构的施工阶段最长双悬臂状态和主墩自立状态在不同风攻角和风偏角以及有背景梁情况下的驰振稳定性、涡激共振特性和抖振性能进行了试验和分析研究。在脉动风场随机模拟方面,首先细致的描述了脉动风场的自然特性,给出了谐波合成（WAWS）法的计算公式,证明了其模拟结果的无偏性和各态历经性,依据用FFT加速的WAWS法,绘出了编制模拟程序的流程图,并给出了模拟结果检验的数值方法。最后,用Fortran语言编制了实用的模拟程序,并利用该程序模拟了龙潭河特大桥的脉动风速场。在风致抖振方面,依据准定常理论抖振力计算理论,推导了实用的静风风力计算公式和抖振力计算公式;基于模拟的脉动风速场,分别模拟了成桥状态和施工状态的抖振力时程;并利用ANSYS将该荷载时程加载于有限元模型上,进行动力时程分析,求得了两种状态下的风致抖振响应分析结果。最后,对本文的研究工作进行了总结,给出了研究中的一些结论,并指出了在进一步研究中亟待解决的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪言
• 1.1 课题的提出及意义
• 1.2 目前的研究现状及存在的问题
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 龙潭河特大桥静力稳定性分析
• 2.1 引言
• 2.2 桥梁结构稳定分析方法
• 2.2.1 两类稳定问题
• 2.2.2 稳定性评价指标
• 2.2.3 稳定判别准则
• 2.3 工程概况及有限元建模
• 2.3.1 工程概况
• 2.3.2 荷载计算参数
• 2.3.3 有限元模型的建立
• 2.3.4 结构动力特性
• 2.4 薄壁墩的局部稳定及壁厚的确定
• 2.4.1 箱形薄壁墩壁板局部稳定
• 2.4.2 工字形等具有悬臂翼缘部件薄壁墩的局部稳定
• 2.4.3 局部稳定容许应力折减系数
• 2.4.4 龙潭河特大桥局部稳定评价
• 2.5 第一类稳定分析
• 2.5.1 稳定问题的数值解
• 2.5.2 稳定问题的解析解
• 2.5.3 计算结果与讨论
• 2.6 第二类稳定分析
• 2.6.1 初始缺陷的引入
• 2.6.2 施工阶段
• 2.6.3 成桥阶段
• 2.7 本章小结
• 3 龙潭河特大桥风洞试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 桥梁截面气动力系数确定
• 3.2.1 试验设备和测量仪器
• 3.2.2 桥面结构气动力系数测量
• 3.2.3 主墩气动力系数确定
• 3.3 主桥气弹模型风洞试验
• 3.3.1 气弹模型的设计和制作
• 3.3.2 紊流风场模拟与试验情况
• 3.3.3 均匀流场试验结果
• 3.3.4 紊流场试验结果
• 3.4 本章小结
• 4 龙潭河特大桥脉动风速场的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 脉动风速场的自然特性
• 4.2.1 平均风特性
• 4.2.2 紊流强度
• 4.2.3 紊流积分尺度
• 4.2.4 紊流的单点功率谱密度函数
• 4.2.5 紊流的空间相关性和多点功率谱密度矩阵
• 4.2.6 关于谱密度矩阵的一些注记
• 4.3 风场模拟的方法
• 4.3.1 风场模拟的目标
• 4.3.2 谐波合成法描述
• 4.3.3 模拟序列的无偏性
• 4.3.4 模拟序列的各态历经性
• 4.4 模拟程序的编制和结果检验
• 4.4.1 分解的模拟公式
• 4.4.2 模拟程序的流程
• 4.4.3 模拟结果的数值检验
• 4.5 龙潭河特大桥脉动风速场模拟
• 4.5.1 风场模拟的参数
• 4.5.2 风场模拟程序的运行结果
• 4.5.3 模拟结果的检验
• 4.6 本章小结
• 5 龙潭河特大桥风致抖振响应时域分析
• 5.1 引言
• 5.2 静风风力计算
• 5.2.1 规范中的静风风力计算公式
• 5.2.2 实用的主梁上静风风力计算公式
• 5.2.3 桥墩上的静风风力计算公式
• 5.2.4 阵风风力
• 5.3 按照准定常气动力理论的抖振力计算
• 5.3.1 准定常气动力理论大意
• 5.3.2 主梁上的准定常抖振力计算公式
• 5.3.3 桥墩上的准定常抖振力计算公式
• 5.4 龙潭河特大桥成桥状态风致抖振响应时域分析
• 5.4.1 基本计算工况
• 5.4.2 静风响应分析结果
• 5.4.3 抖振响应分析结果
• 5.5 龙潭河特大桥施工状态风致抖振响应时域分析
• 5.5.1 基本计算工况
• 5.5.2 静力响应分析结果
• 5.5.3 抖振响应分析结果
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录
• 附录2 攻读学位期间参与的科研设计项目