台风下大跨度桥梁抖振响应分析的若干问题研究

摘要

抖振主要是由自然界中固有的风的紊流特性以及风经过钝体结构产生的特征紊流所致，表现为一种随机的强迫振动。目前，绝大多数桥梁随机抖振响应分析方法都是在1960年代初提出的Davenport抖振分析理论、1970年代末提出的Scanlan抖振分析理论和Lin抖振分析理论这三大理论的基础上发展起来的。这些随机抖振分析理论和方法都是以准定常理论和气动片条假定为基础，并且将平均风荷载看成一种确定性静力荷载，其对桥梁的风振响应体现在静力位移上，而脉动风荷载处理为零均值的平稳随机荷载，产生的抖振响应为平稳随机过程。
　　要进行台风下大跨度桥梁抖振响应的分析，必须要深入了解台风的相关特性。台风作为一种典型的非平稳风，目前国内外学者对其研究尚处于风荷载特性研究和数值模拟研究阶段，对其作用于桥梁结构所产生的抖振响应则研究很少。台风具有很强的时域性，现有抖振响应分析方法中的时域法可以考虑风荷载的时域性，但时域法本身仍有不少问题较难解决且计算效率较低，因此用于台风作用下大跨度桥梁抖振响应分析较难实现。而频域法应用于台风作用下大跨度桥梁抖振响应分析时同样面临一些问题。
　　针对以上情况，本文以Hilbert-Huang变换理论中的经验模态分解(EMD)方法为理论基础，以广东省气候中心提供的台风“黑格比”实测数据为研究对象，着重实现台风的时变特性分析和平稳化处理。在此基础上，取南京长江三桥主梁断面作为算例，以三次样条插值方法为分析工具，研究抖振力和自激力模型中气动系数的插值计算方法，建立非平稳抖振力模型与自激力模型。
　　本文主要开展了以下研究工作：
　　（1）选取台风“黑格比”实测风速数据为研究对象，分析该台风的时变特性，并依据von-Karman模型计算von-Karman演变谱。台风时变特性分析结果表明，整个台风移动过程中，风眼处的水平风速和竖向风速均呈现典型的“M”型，平均风速随着时间的变化十分剧烈。此外，台风的移动以水平移动为主，竖向移动为次。而von-Karman演变谱的计算结果揭示了脉动风速的能量分布规律，从频域角度分析，能量主要集中在低频部分；从时域角度看，能量在时域内的变化也较为明显。
　　（2）从台风“黑格比”24小时实测风速数据中，挑选2个典型的风速样本，采用矢量分解法作风速分解处理，得到顺风向、横风向和竖向三个方向的脉动风速。接着，利用优化的EMD方法对脉动风速进行处理，获得所有的等效固有模态函数(EIMF)和等效残余量(ERes)。
　　（3）基于Lin和Yang的非平稳过程假定，推导该假定中提出的慢变调制函数的计算方法，求出慢变调制函数值，并进行拟合，建立脉动风速的非平稳模型，完成台风的平稳化处理。此外，拟合结果表明，按照本文的计算方法求出的慢变调制函数值有一定的离散性，但总体来看，基本分布在一个均值附近，且呈现线性分布规律。
　　（4）取南京长江三桥主梁断面作为算例，以三次样条插值方法为分析工具，对主梁断面气动力系数和气动导数进行三次样条插值处理，完成非平稳抖振力模型和自激力模型的建立。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2研究目标

1.3论文构架

1.4技术路线

第2章 研究现状回顾

2.1非平稳随机过程的研究

2.2台风非平稳特性的研究

2.3非平稳风场模型

2.4桥梁抖振分析

2.5经验模态分解方法

2.6小结

第3章 台风特性分析

3.1 台风“黑格比”介绍

3.2博贺海洋观测站介绍

3.3紊流特性参数

3.4风速的矢量分解

3.5台风特性分析

3.6 von-Karman演变谱计算

3.7小结

第4章 台风的平稳化处理

4.1游程检验法

4.2脉动风速的多重EMD处理

4.3脉动风速非平稳模开明的建立

4.4小结

第5章 非平稳抖振力模型和自激力模型的建立

5.1 坐标系的建立

5.2 非平稳抖振力模型

5.3 非平稳自激力模型

5.4 气动系数的三次样条插值算例

5.5 小结

第6章 结论

6.1 本文主要工作

6.2 主要研究结论

6.3 本文主要创新点

6.4 研究不足之处和进一步研究的建议

参考文献

致谢

个人简历及硕士期间发表的论文