悬索桥施工猫道抗风减振性能精细化分析和试验研究

论文摘要

悬索桥施工猫道是施工人员机械进行主缆施工作业的高空脚手架,是大跨度的柔性透风索结构,结构刚度小,对动力作用敏感。猫道在风荷载和施工人员行走时若产生较大变位,将导致牵引索股的扭转、鼓丝、散丝现象,会影响成桥后主缆的受力甚至主缆的施工安全。随着我国跨海连岛工程的建设,恶劣施工环境中的特大跨度悬索桥及其主缆施工猫道将不断出现,因此系统深入研究猫道的抗风减振性能,发展行之有效的猫道抗风减振技术,有十分重要的意义。本文系统全面探讨猫道对风反应特点,国内外首次进行猫道结构的涡振性能风洞试验,可知避免猫道产生涡激振动的侧网临界透风率为70%,底网透风率大小对涡振性能没有影响,所采用的试验方法和试验结论对于研究类似透风结构的涡振性能有一定参考价值,分析猫道升力系数和阻力系数的特点,可知其不可能发生驰振现象。采用节段模型静力三分力风洞试验结果和有限元分析相结合的方法进行猫道非线性静风响应分析,根据猫道承重绳的张力和位移随风速的变化规律,可知猫道发生静力扭转发散的内在原因是由其所受的静力三分力的特点决定的,国内外首次对猫道减振构造（包括抗风缆系统、水平制振索、抗风门架和斜索、斜拉索和外索）的抗风性能进行系统的参数化分析,得出抗风减振构造设计参数变化时对猫道在风荷载作用下位移响应及静力扭转发散临界风速的影响,为工程技术人员设置猫道减振构造提供理论参考和依据。在国内外首次进行猫道的人行侧向振动分析,通过类比风致振动中的涡激振动,提出人行侧向振动的自激力特性,借鉴人行桥侧向振动的研究结论,通过一定修正应用到猫道中,可计算避免发生猫道-行人同步侧向振动的临界行人数量和密度以及猫道所需的阻尼,也可估算一定行人密度时猫道的侧向位移响应。联结绳是一种增大猫道阻尼的简便有效的方法,其制振效果的影响因素包括联结绳自身的振动频率、阻尼、质量、联结位置,在国内外首次进行联结绳的参数化试验研究,根据试验结果,综合考虑各种因素,为保证联结绳制振效果,建议联结绳与猫道面层之间的斜交角在40°～50°范围内,联结绳的质量在猫道面层质量的1%左右取值,联结绳频率尽可能与猫道面层固有频率接近,联结绳的阻尼越大,制振效果越好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 猫道构造形式的变迁
• 1.1.1 早期的悬索桥主缆和猫道
• 1.1.2 现代悬索桥的主缆和猫道
• 1.2 猫道的线形、基本构造及其抗风减振措施
• 1.2.1 猫道的线形
• 1.2.2 猫道的基本构造
• 1.2.3 猫道的抗风减振技术
• 1.2.4 国内外悬索桥猫道构造综述
• 1.3 猫道抗风减振性能研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 研究目的和研究内容
• 1.5 创新点
• 1.6 论文内容框架
• 1.7 本文研究的依托工程简介
• 第二章 猫道的对风反应
• 2.1 猫道的对风反应概述
• 2.1.1 静态反应
• 2.1.2 动态反应
• 2.2 猫道的涡振检验
• 2.2.1 涡振检验方法
• 2.2.2 侧网透风率的变化对旋涡脱落形态的影响
• 2.2.3 底网透风率的变化对旋涡脱落形态的影响
• 2.2.4 猫道周围流场不同位置处的涡脱及流场形态测定
• 2.3 本章小结
• 第三章 猫道结构的静风响应分析
• 3.1 分析方法
• 3.1.1 计算过程
• 3.1.2 计算模型
• 3.1.3 风荷载计算
• 3.2 猫道的静风失稳机理
• 3.2.1 猫道节段模型静力三分力试验结果
• 3.2.2 猫道面层扭转发散位置的确定
• 3.2.3 猫道承重绳张力随风速的变化
• 3.2.4 小跨猫道扭转刚度随风速的变化
• 3.2.5 猫道面层竖向位移随风速的变化
• 3.2.6 猫道静力扭转发散机理综述
• 3.3 抗风缆系统抗风效果的计算与分析
• 3.3.1 三种不同的抗风缆系统形式
• 3.3.2 三种抗风缆系统形式抗风效果对比分析
• 3.3.3 不同抗风缆张力对抗风效果的影响
• 3.3.4 抗风吊杆的形式对抗风效果的影响
• 3.3.5 矢跨比对抗风效果的影响
• 3.3.6 外张式抗风缆系统的外张距离对抗风效果的影响
• 3.4 横向通道抗风效果的计算与分析
• 3.5 水平制振索抗风效果的计算与分析
• 3.5.1 水平制振索的设置对猫道在风荷载作用下位移的影响
• 3.5.2 水平制振索的设置位置对抗风效果的影响
• 3.6 外索抗风效果的计算与分析
• 3.7 斜拉索抗风效果的计算与分析
• 3.7.1 斜拉索的设置对猫道水平位移的影响
• 3.7.2 斜拉索的设置对猫道扭转变形的影响
• 3.8 抗风门架和斜索抗风效果的计算与分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 猫道的人行侧向振动分析
• 4.1 猫道人行振动问题的研究现状
• 4.2 桥梁的人行振动问题及相关研究
• 4.2.1 人行荷载
• 4.2.2 人-桥动力相互作用
• 4.2.3 人-桥同步侧向振动问题
• 4.2.4 人-桥侧向相互作用的自激力特性
• 4.3 本章研究思路
• 4.4 不设减振构造猫道的人行侧向振动分析
• 4.4.1 猫道和行人的运动控制方程
• 4.4.2 同步化的侧向行人激励
• 4.4.3 运动方程的求解
• 4.4.4 同步现象的分析
• 4.4.5 临界状态下行人数量和猫道阻尼的确定
• 4.4.6 猫道人行侧向振动算例分析
• 4.5 设减振构造猫道的人行侧向振动分析
• 4.5.1 控制方程及求解
• 4.5.2 算例分析
• 4.6 减振构造的设置对猫道人行侧向位移响应的影响
• 4.6.1 增大猫道结构的侧向刚度
• 4.6.2 增大猫道结构的阻尼
• 4.7 本章小结
• 第五章 联结绳制振效果试验
• 5.1 联结绳制振效果的影响因素
• 5.2 试验目的
• 5.3 试验方案和试验模型
• 5.3.1 单联激振模型
• 5.3.2 双联激振模型
• 5.4 试验中几个问题的说明
• 5.4.1 激振方向
• 5.4.2 激振方式
• 5.4.3 试验联结绳的选择
• 5.5 试验结果
• 5.5.1 联结绳与猫道面层的斜交角
• 5.5.2 联结绳的质量
• 5.5.3 联结绳的长度
• 5.5.4 联结绳的阻尼
• 5.5.5 联结绳的设置位置
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论及建议
• 6.1 本文的研究结论
• 6.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢