悬索桥施工期主缆-猫道系统驰振及静风稳定性的干扰效应

摘要

在强风作用下，部分大跨悬索桥施工期主缆在绳索的张拉下振动幅度较大，严重影响施工工期；且因施工期主缆并非成桥时圆形截面形式，存在驰振失稳的可能性；同时，猫道的存在对施工期大尺度尖顶型主缆静风系数存在气动干扰效应问题，可能影响主缆的驰振性能。因此，进行大跨径悬索桥暂态结构抗风性能具有较高的理论和实际意义。鉴于此本文进行了如下主要研究工作：
　　1.本文采用 CFD数值模拟方法，参考某大桥施工期猫道和主缆设计参数，首先结合猫道风洞试验的结果，验证了数值模拟参数设置的正确性；然后分别研究了不考虑猫道和考虑猫道影响时，施工期三角形、五边形和尖顶型形状主缆的阻力和升力系数；最后利用登哈托准则，计算了施工期主缆不同工况的驰振力系数。结果表明：随着主缆索股层数的不断增加，施工初期呈倒三角形形状的主缆阻力系数不断减小,升力系数逐步增加；施工中期呈五边形形状的主缆阻力系数不断增加，升力系数逐步减小；施工后期呈上尖顶型形状的主缆阻力系数不断增加，升力系数总体上有减小趋势；通过与无猫道工况的对比可知，考虑猫道时会造成施工期主缆阻力和升力系数相应地减小，且计算主缆驰振力系数时，不能忽略猫道的气动干扰效应。
　　2.研究表明，悬索桥施工期暂态主缆存在驰振失稳的可能性，且因施工期主缆处于主缆施工脚手架猫道的半包围之中，猫道设计参数的变化势必对施工期主缆的驰振性能产生重要影响。为研究猫道设计参数对施工期主缆驰振性能的影响，本文以某大跨径悬索桥施工期不同工况大尺度尖顶型主缆为研究对象，以猫道风洞试验结果为参照，以流体力学软件Fluent为工具，首先验证了数值模拟参数设置的正确性；进而研究了猫道高度、猫道宽度、猫道侧网透风率、猫道底网透风率，以及猫道面层与主缆底部间距等参数影响下施工期主缆的气动力系数；最后运用登哈托准则分析了猫道设计参数对施工期主缆驰振性能的影响。研究结果表明：（1）猫道宽度、猫道护栏高度以及猫道面层与主缆底部间距对施工期主缆阻力系数影响不大，但会导致升力系数变大；当主缆与猫道面层间距为84cm、猫道宽度为4.5m、猫道护栏高度为1.3m时，对驰振失稳预防较为有利；（2）猫道侧网透风率可导致施工期主缆阻力系数变小，但升力系数较无规律；当猫道侧网透风率为50％时，对驰振失稳预防较为有利；（3）猫道底网透风率对施工期主缆阻力和升力系数影响较为敏感；当猫道底网透风率为70%时对驰振失稳预防较为有利；（4）当猫道面层与主缆底部间距为0.84m、猫道高度为1.3m、猫道宽度为4.5m、猫道侧网透风率为50%和猫道底网透风率为70%时，主缆发生驰振失稳可能性最小。
　　3.由于大跨径悬索桥施工期尖顶型主缆与猫道间存在气动干扰效应，且主缆索股层数在施工期不断增加，因此，猫道的气动性能和静风稳定性也随之变化。本文以某大跨径悬索桥施工期尖顶型主缆和猫道为背景，研究了施工期尖顶型主缆对猫道静风稳定性影响问题。首先，参照该桥猫道风洞试验的结果，验证了数值模拟参数设置的正确性；进而计算了施工期尖顶型主缆不同阶段猫道的三分力系数；最后对 ANSYS软件进行了二次开发，考虑了猫道的几何非线性和风荷载非线性，进行了施工期尖顶型主缆不同阶段猫道静风稳定性分析。研究结果表明：考虑施工期尖顶型主缆影响时，（1）猫道阻力系数和扭矩系数呈先增大后减小的趋势；（2）猫道升力系数在负攻角范围内呈先减小后增大趋势，但在正攻角范围内变化不大；（3）随尖顶型主缆的施工进程，猫道失稳临界风速呈先减小后增大，成桥阶段又减小的趋势。其中，15＃工况失稳临界风速接近大桥施工阶段和成桥状态10米高度处的空气静力稳定性检验风速，施工时应注意加强观测，必要时须采取抗风保护措施。

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1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 大跨径悬索桥施工抗风研究现状

1.3 本文研究的主要内容

2 考虑猫道影响的悬索桥施工期大尺度尖顶型主缆驰振性能分析

2.1 引言

2.2 数值建模

2.3 结果与讨论

2.4 施工期主缆驰振性能分析

2.5 本章小结

3 猫道设计参数对悬索桥施工期尖顶型主缆驰振性能的影响

3.1 引言

3.2 数值建模

3.3 猫道设计参数对施工期主缆驰振性能的影响

3.4 结果讨论

3.5 本章小结

4 大跨径悬索桥施工期尖顶型主缆对猫道静风稳定性的影响

4.1 引言

4.2 非线性静风稳定理论

4.3 工程实例计算

4.4 考虑施工期主缆影响的猫道静风稳定性分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

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