紊流风对大跨度分体双箱梁桥梁的作用

论文摘要

本文通过昂船洲桥桥址风场实测及相应风洞试验获取了抖振响应分析参数，并在此基础上建立和发展了大跨度桥梁精细化频域抖振分析方法。为了准确地取得桥址紊流风场特性并以此作为昂船洲桥抗风设计的依据，特别于东桥塔处安装了一个紊流风参数监测系统。该系统由安装于50米高钢结构桅杆上的超声风速仪、机械风速仪、加速度计等相应传感设备所组成。同时为了更能准确地了解昂船洲桥桥身和桥塔的紊流风场特性，通过1比1500地貌模型风洞试验收集了桥址和桅杆位置的紊流风场特性的互相关信息。此外为了求取桥身断面的动力特性，还进行了一系列1比80缩尺节段模型风洞试验。本文在此基础上通过相应的数据分析以识别昂船洲桥抖振响应分析所需的相关参数，包括三分力系数，颤振导数，气动导纳函数和抖振力相干函数等。通过风特性的实测数据分析和地貌模型试验，取得了可靠的风特性参数，为抖振分析也为今后抖振响应实测对比奠定了坚实的基础。对于采用分体双箱这种新颖桥梁断面的气动性能有了新的想法，如槽宽对气动阻力，气动导纳函数，抖振力相干函数，颤振稳定性的影响，雷诺数效应等，对今后采用分体双箱断面的大跨度桥梁抗风设计具有重要参考价值。 昂船洲特大斜拉桥采用特殊的分体双箱梁结构形式，双箱梁间开槽达14.3米。由于目前国际上对这类特殊桥身的实际应用极为有限，因此进行相应的敏感度测试以确保全桥的气动特性不会因为分离体梁槽宽的改变而发生显着变化就显得尤为必要。为此通过一系列节段模型测压风洞试验取得了不同槽宽的桥身断面在不同紊流尺度下的抖振力模型。由此本文提出了分体双箱梁桥面阵风荷载的经验公式。在对基于风相关的传统抖振分析的基础上，本文提出了新的桥梁抖振响应的

论文目录

• 论文主题
• DEDICATION
• 学位论文版权使用授权书
• PREFACE
• 摘要
• ABSTRACT
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 背景
• 1.2 昂船洲大桥简介
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 假设及限制
• 1.5 论文结构
• 第二章 文献综述
• 2.1 引言
• 2.2 预测抖振响应
• 2.2.1 准定常气动力
• 2.2.2 谱方法
• 2.2.2.1 荷载谱
• 2.2.2.2 响应谱
• 2.2.2.3 峰值响应
• 2.2.2.4 基于准定常理论的气动阻尼
• 2.2.2.5 耦合效应
• 2.2.2.6 方向性
• 2.2.2.7 非线性
• 2.2.3 时域分析方法的简要回顾
• 2.2.4 试验方法
• 2.2.4.1 全桥气弹模型
• 2.2.4.2 片条模型
• 2.3 边界层风特性
• 2.3.1 极值风分析
• 2.3.2 近地面风
• 2.3.2.1 平均风剖面
• 2.3.2.2 风紊流
• 第三章 风紊流特性研究—风场实测及地貌模型风洞试验
• 3.1 引言
• 3.2 场地测量系统
• 3.2.1 风速的数学转换
• 3.2.2 数据质量
• 3.2.3 桅杆结构的振动监测系统
• 3.3 平均风和紊流强度范围
• 3.3.1 平均风向范围
• 3.3.2 平均风速范围
• 3.3.3 紊流强度范围
• 3.4 小型声雷达
• 3.5 风功率谱和积分尺度
• 3.6 地貌模型风洞试验
• 3.6.1 初始来流风场
• 3.6.2 基于青马桥实测风数据的质量校核
• 3.6.3 沿桥主跨风特性值（沿桥轴）
• 3.6.4 CT8桅杆风数据质量校核
• 3.6.5 紊流数据从CT8桅杆到桥址的空间转换
• 3.7 基于场地实测结果的相干函数
• 3.8 基于地貌模型试验所得相干函数
• 3.9 本章小结
• 第四章 分体双箱梁的气动导数
• 4.1 引言
• 4.2 理想平板的自激力
• 4.3 节段模型试验识别颤振导数（自由振动）
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 修正总体最小二乘法
• 4.4 CFD方法识别颤振导数（强迫振动）
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 颤振导数的确定
• 4.4.3 结果检核对比
• 4.5 分体双箱梁截面的颤振导数
• 4.5.1 试验设备
• 4.5.2 结果校核对比
• 4.5.3 分体双箱梁桥面的颤振导数
• 4.6 昂船洲桥的颤振分析
• 4.6.1 引言
• 4.6.2 昂船洲桥两自由度颤振分析
• 4.6.3 昂船洲桥颤振分析的多模态单参数搜索法
• 4.6.4 昂船洲桥采用不同方法的颤振分析比较
• 4.7 分体双箱梁桥面的颤振分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 分体双箱梁的稳态气动力系数
• 5.1 引言
• 5.2 风场模拟
• 5.3 试验装置
• 5.4 压力测量
• 5.4.1 瞬态力
• 5.4.2 静力和扭矩系数的预测
• 5.5 天平测力
• 5.5.1 引言
• 5.5.2 试验装置
• 5.5.3 静力和扭矩系数的预测
• 5.6 试验结果及分析
• 5.6.1 压力测量结果与天平测试结果的比较
• 5.6.2 紊流影响
• 5.6.3 栏杆和导流板的影响
• 5.6.4 槽宽影响
• 5.6.5 随风入射角变化的系数变化律
• 5.7 雷诺数对昂船洲大桥桥面稳态气动三分力系数的影响
• 5.7.1 引言
• 5.7.2 刚性节段模型试验
• 5.7.2.1 1∶80断面模型试验
• 5.7.2.2 1∶20断面模型试验
• 5.7.2.3 1∶200断面模型试验
• 5.7.3 测试结果概要
• 5.7.4 本节小结
• 5.8 本章小结
• 第六章 实测分体双箱梁抖振力风洞试验
• 6.1 引言
• 6.2 研究方法
• 6.3 风场分析
• 6.3.1 紊流尺度
• 6.3.2 沿桥跨方向相干性
• 6.4 气动导纳函数的试验确定
• 6.4.1 引言
• 6.4.2 气动导纳函数推导
• 6.4.3 u及w的交叉谱对AAF影响
• 6.4.4 安放风速探头在另一位置
• 6.4.5 中心气槽宽度对AAF的影响
• 6.4.5.1 升力导纳
• 6.4.5.2 扭矩导纳
• 6.4.5.3 阻力导纳
• 6.4.6 经验公式
• 6.5 沿桥跨方向力的互相干性
• 6.5.1 引言
• 6.5.2 力相干性
• 6.5.2.1 不同风场对力相干性的影响
• 6.5.2.2 不同外形断面对相干性的影响
• 6.5.3 试验结果概要
• 6.6 本章小结
• 第七章 抖振响应分析方法
• 7.1 引言
• 7.2 基于风相关及片条假定的传统抖振分析方法
• 7.2.1 运动方程
• 7.2.2 自激力
• 7.2.3 抖振力和多模态抖振分析方法
• 7.3 基于力相关的抖振响应分析方法
• 7.4 本章小结
• 第八章 昂船州大桥抖振分析与全桥气弹模型试验结果检核
• 8.1 引言
• 8.2 输入参数概述
• 8.2.1 风参数
• 8.2.1.1 紊流强度
• 8.2.1.2 风功率谱
• 8.2.1.3 相干函数
• 8.2.2 桥面参数
• 8.2.2.1 颤振导数
• 8.2.2.2 稳态气动力系数
• 8.2.2.3 气动导纳函数（AAF）
• 8.2.2.4 力相干性
• 8.3 昂船洲桥的动力特性
• 8.3.1 假设
• 8.3.2 模态形状及频率
• 8.4 抖振分析
• 8.4.1 桥梁响应
• 8.4.2 结果及讨论
• 8.5 依据全桥气弹模型试验验证结果
• 8.5.1 引言
• 8.5.2 模型建造及模型规律
• 8.5.3 模型设计及建造
• 8.5.3.1 总体结构模型原则
• 8.5.3.2 桥塔
• 8.5.3.3 桥面
• 8.5.3.4 索
• 8.5.3.5 支撑
• 8.5.4 模型检核
• 8.5.5 风洞中风场条件
• 8.5.5.1 平均风剖面
• 8.5.5.2 紊流强度剖面
• 8.5.5.3 紊流尺度及功率谱
• 8.5.5.4 相干性
• 8.5.6 抖振响应的修正
• 8.5.6.1 抖振响应修正推导
• 8.5.6.2 修正因子CBC
• 8.5.6.3 修正因子CBS
• 8.5.6.4 修正因子CBI
• 8.5.6.5 修正因子CBF
• 8.5.6.6 修正因子CBZ
• 8.5.6.7 修正因子
• 8.5.7 试验结果
• 8.5.8 结果及讨论
• 8.6 本章小结
• 第九章 槽宽对分体双箱梁桥面抖振响应的影响
• 9.1 引言
• 9.2 输入参数
• 9.2.1 风的参数
• 9.2.1.1 紊流强度
• 9.2.1.2 风功率谱
• 9.2.2 桥面参数
• 9.2.2.1 颤振导数
• 9.2.2.2 稳态气动三分力系数
• 9.2.2.3 气动导纳函数（AAF）
• 9.2.2.4 力相干性
• 9.3 抖振响应预测
• 9.4 本章小结
• 第十章 结论与展望
• 10.1 结论
• 10.2 主要创新点
• 10.3 进一步工作的展望
• 附录A 基于准定常理论求取气动导数的方法
• 附录B 昂船洲桥等效质量和等效质量惯矩的计算
• 附录C 昂船洲桥的振型
• 附录D 气动导纳函数的近似分析比较
• 附录E 抖振分折计算流程图
• 参考文献