大跨度开口主梁斜拉桥的动力模型及风振分析

摘要

目前,斜拉桥和悬索桥的主要技术难点依然是抗风设计问题.随着桥梁向长大跨度的发展,桥梁非线性变形的影响程度将加剧,风致抖振响应问题也将更加突出.以往桥录像结构的抖振响应分析方法主要是频域描述的方法.然而,频域分析方法不能有效地考虑结构振动过程中的非线性,时域分的方法将是今后抖振响应分析的发展方向.该文研究的课题却是进一步发展用于大跨度桥梁结构的三维非线性有限元动力模型和脉动风场的随机模拟方法,以在时域内更有效地分析桥梁的风致抖振响应.主要的研究工作包括:基于频谱表达方法并利用风谱函数的特性,将修正谐波合成法现用的单向数值模拟格式改进为双向模拟格式,从而提出了模拟大跨度桥梁沿桥梁轴向脉动风场的一种更为实用的方法;以开口截面的约束扭转理论为基础,采用了考虑截面翘曲变形影响的薄壁梁单元建立开口截面的大跨度斜拉桥动力模型;首次采用两根分离的开口薄壁梁单元的单主梁模型,对结构独特的香港汀九大桥进行抖振响应时域分析.在该文工作的基础上,编制和调试了一个大型斜拉桥非线性有限元分析程序,主要用于对大跨度斜拉桥进行抖振响应的时域分析.算例结果的对比分析表明,该程序的计算结果可以较好地反映结构的真实响应状态.进而利用该程序对汀九大桥的动力特性以及风振响应中的位移、加速度响应结果进行了更为全面的分析,探讨了结构响应与风速的关系以及沿桥长方向的分布规律.研究表明:脉动风场的双向模拟格式由于大大减少了模拟过程中的叠加运算量,因此具有较高的数字模拟效率;在大跨度开口主梁斜拉桥动力模型及风振响应的研究中使用薄壁梁单元来模拟在求解精度和效率方面具有比普通单梁、双梁以及三梁模型更明显的优势;采用两根分离的开口薄壁梁单元的单主梁模型能够较好地反映出汀九大桥的动力特性,这对于今后同类桥型分析模型的建立提供了一个良好的范例;通过大量计算和统计分析,基本掌握了汀九大桥抖振响应的特性,从而为类似工程的抗风设计以及今后的风振响应控制奠定了良好的基础.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1大跨度桥梁的发展

1.2大跨度桥梁风致振动问题的研究现状

1.2.1颤振

1.2.2抖振

1.2.3涡激振动

1.3本文的研究工作

第二章脉动风速场的高效随机模拟技术

2.1风的基本特性

2.1.1风的组成

2.1.2风的分级

2.1.3平均风速的确定

2.1.4脉动风速的基本特征

2.2风速场的随机模拟

2.2.1平均风速的预估

2.2.2脉动风速样本的模拟

2.3改进的风场随机模拟方法

2.3.1改进的风场随机模拟方法原理

2.3.2风场随机模拟示例

2.4本章小结

第三章风对结构的作用力

3.1风速风压关系

3.2风的静力作用

3.3风的动力作用

3.3.1自激力

3.3.2抖振力

3.4自激力模型的系数识别

3.5风载的时域化实例

3.6本章小结

第四章大跨度开口主梁斜拉桥非线性分析理论

4.1大跨度斜拉桥分析模型

4.1.1索的分析模型

4.1.2桥塔的分析模型

4.1.3主梁的分析模型

4.2大跨度斜拉桥几何非线性分析方法

4.2.1几何非线性来源及模拟

4.2.2几何非线性分析理论

4.2.3薄壁梁单元U.L.列式的虚功增量方程

4.2.4薄壁梁单元U.L.法增量平衡方程

4.2.5空间杆单元

4.3非线性方程求解

4.4程序的编制及校核

4.5本章小结

第五章大跨度开口主梁桥梁风致抖振响应时域分析

5.1几类风振形式的机理分析

5.1.1古典弯扭耦合颤振

5.1.2多振型耦合颤振

5.1.3颤抖振分析的基本原理

5.2大跨度斜拉桥抖振响应的时域分析

5.2.1抖振运动方程的建立

5.2.2抖振运动方程的求解

5.3程序的编制与校验

5.3.1程序的编制

5.3.2程序的校验

5.4本章小结

第六章大跨度开口主梁斜拉桥抖振时域分析实例

6.1汀九大桥概况

6.2桥址处的风场模拟

6.3桥梁动力分析模型

6.3.1桥梁结构计算模型

6.3.2桥梁结构动力特性

6.4风荷载

6.4.1风洞试验结果

6.4.2风荷载计算结果

6.5抖振响应计算结果

6.5.1抖振位移计算结果

6.5.2抖振加速度计算结果

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文

附录

致谢