基于三维流场的大跨度连续刚构桥风荷载数值模拟及抖振时域分析

论文摘要

随着连续刚构桥跨度的增大,最大悬臂施工长度越来越长刚度也随之下降,因此风致振动问题显得越来越重要。本文以温福铁路主跨160m的田螺大桥为工程背景,针对施工最大悬臂状态和成桥状态进行抖振时域研究,得出了以下几方面成果：1.本文用George Deodatis提出的谐波合成法引入快速傅立叶变换法(FFT)完成了对田螺大桥施工最大悬臂状态、成桥状态主墩、主梁的脉动风场模拟,并进行了谱和相关性检验；2.根据CFD理论,通过FLUENT软件在有限体积法的基础上建立了田螺大桥主梁、主墩三维风场模型,计算了静力三分力系数,并对其变化规律进行分析；3.采用Scanlan准定常模型实现抖振力时域化,自激力加载通过对准定常气动力模型进行双泰勒级数展开,导出12阶的单元气动阻尼矩阵和气动刚度矩阵,再以单元气动阻尼矩阵和气动刚度矩阵的形式在ANSYS中以Matrix27矩阵输入来实现；4.在大型通用有限元软件ANSYS中建立了田螺大桥最大悬臂施工状态、成桥运营状态的有限元模型,并对这两种模型进行了结构动力特性分析和抖振时域分析。结果表明：首先,施工最大双悬臂状态比成桥状态结构风致响应显著,是抗风分析的最不利状态；其次,脉动风作用下的结构响应明显大于平均风作用时的响应,并且考虑自激力作用时结构响应有所减小；最后,考虑非线性因素最大悬臂端横向、竖向结构响应峰值分别增大17%和18%,因此在抗风最不利状态下有必要考虑非线性的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章:绪论
• 1.1 桥梁结构风灾
• 1.2 桥梁抗风理论发展
• 1.3 近地风的基本特性
• 1.3.1 平均风的基本特性
• 1.3.2 脉动风的基本特性
• 1.4 风对结构的作用
• 1.5 桥梁抖振的研究方法
• 1.5.1 频域分析法
• 1.5.2 时域分析法
• 1.6 连续刚构桥梁最大悬臂阶段抗风研究现状
• 1.7 本文研究的意义及主要内容
• 1.7.1 本文研究的目的及意义
• 1.7.2 本文研究的主要内容
• 第二章:三维空间脉动风场的模拟
• 2.1 线性滤波法
• 2.2 谐波合成法
• 2.3 田螺大桥脉动空间风场模拟
• 2.3.1 施工最大悬臂阶段主梁脉动风场模拟
• 2.3.2 施工最大悬臂阶段主墩脉动风场模拟
• 2.3.3 成桥阶段主梁脉动风场模拟
• 2.3.4 成桥阶段主墩脉动风场模拟
• 2.4 本章小结
• 第三章:基于三维流场的田螺大桥气动三分力系数识别
• 3.1 CFD理论基础
• 3.1.1 CFD的控制方程
• 3.1.2 CFD流场数值模拟的离散方法
• 3.2 FLUENT软件简介
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 FLUENT软件包的组成
• 3.2.3 FLUENT的计算流程
• 3.3 田螺大桥气动三分力系数数值模拟
• 3.3.1 田螺大桥主墩气动三分力系数求解
• 3.3.2 田螺大桥主梁气动三分力系数求解
• 3.3.3 静力三分力系数统计
• 3.4 本章小结
• 第四章:田螺大桥抖振时域分析
• 4.1 田螺大桥工程概况
• 4.2 田螺大桥动力特性分析
• 4.2.1 施工最大悬臂状态动力性能分析
• 4.2.2 成桥状态动力性能分析
• 4.3 风荷载时域化
• 4.3.1 静风荷载
• 4.3.2 抖振力荷载
• 4.3.3 自激力荷载
• 4.4 非线性抖振时域分析
• 4.5 施工最大悬臂状态抖振时域分析
• 4.5.1 施工最大悬臂状态不考虑自激力抖振时域线性分析
• 4.5.2 施工最大悬臂状态考虑自激力抖振时域线性分析
• 4.5.3 施工最大悬臂状态抖振时域非线性分析
• 4.6 成桥状态抖振时域分析
• 4.6.1 成桥状态不考虑自激力抖振时域线性分析
• 4.6.2 成桥状态考虑自激力抖振时域线性分析
• 4.7 本章小结
• 第五章:结语与展望
• 5.1 本文主要工作
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果