大跨度桥梁全模态耦合颤抖振响应分析

摘要

现代大跨悬索桥朝着超大跨度、极度轻柔的趋势发展,桥梁结构的风致振动问题日益突出。在悬索桥的施工阶段及成桥运营阶段,风致抖振是不可避免的,这不但关系到施工过程的安全,而且会影响到成桥后结构的疲劳寿命及行车舒适度。现有的桥梁结构的抖振分析方法可分为:频域分析方法和时域分析方法。由于频域分析方法具有简单、实用、有效等特点,因此,在桥梁结构抖振分析中被广泛运用,但其无法考虑几何及气动的非线性。随着计算机水平的不断提高,由于时域分析方法能反映桥梁结构振动响应的时间历程,同时能考虑几何及气动非线性,因此,近些年来国内外越来越多的学者开始采用时域分析方法研究桥梁结构抖振响应。我国大多数的大跨悬索桥都是位于东南沿海地带,都不同程度地遭受强热带风暴及台风的侵袭,因此,研究台风下桥梁结构的抖振响应就显得尤为重要。
　　本文主要是基于现场监测数据对某大跨悬索桥抖振响应进行分析,并将现场实测数据与数值计算结果进行对比。本文的主要研究内容包括:
　　(1)回顾了桥梁结构抖振的研究历史及现状,并分别从频域和时域角度对抖振分析的理论进行了深入地论述。
　　(2)对台风“梅花”风场的湍流特性进行分析,主要包括:平均风速、平均风向角、湍流强度、湍流积分尺度、脉动风速功率谱、脉动风速空间相关性及脉动风的时频特性等,以便更加准确地模拟风荷载。
　　(3)通过有限元的方法,在ANSYS中建立某大跨悬索桥有限元模型,以便分析某大跨悬索桥的结构动力特性,主要包括:某大跨悬索桥有限元模型的静力分析、基于现场实测频率与振型的有限元模型修正、某大跨悬索桥有限元模型的模态分析。
　　(4)采用大跨桥梁结构全模态耦合颤抖振的频域分析方法(CQC方法)对某大跨悬索桥主梁的抖振响应进行分析,并将数值计算的结果与现场实测的结果进行了对比,同时,对影响抖振响应计算的因素(气动自激力、气动导纳函数、空间相关性)进行了分析。
　　(5)采用谐波合成的方法对某大跨悬索桥三维脉动风场进行数值模拟,得到各个节点的脉动风速时程(顺风向、竖向),并对模拟的脉动风速时程进行了脉动风速谱检验和脉动风速空间相关性检验。
　　(6)采用大跨桥梁结构全模态耦合颤抖振的时域分析方法对某大跨悬索桥主梁的抖振响应进行分析,并将数值计算得到的抖振时程、抖振响应谱与现场实测的结果进行比较,以确定抖振时域分析方法的有效性。

目录

大跨度桥梁全模态耦合颤抖振响应分析

STUDY ON FULL-MODAL COUPLED FLUTTER

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 桥梁风致振动研究简史

1.3 桥梁抖振响应研究方法和现状

1.3.1 桥梁抖振响应风洞试验研究

1.3.2桥梁抖振响应频域分析

1.3.3桥梁抖振响应时域分析

1.4 本文的研究方法及内容

第2章 台风风场特性分析

2.1 某大跨悬索桥健康监测系统介绍

2.2 台风“梅花”登陆简述

2.3 台风“梅花”风场特性分析

2.3.1 平均风速及平均风向角

2.3.2 湍流强度

2.3.3 脉动风速谱

2.3.4湍流积分尺度

2.3.5 脉动风的空间相关性

2.3.6 脉动风的非平稳性

2.4 本章小结

第3章 悬索桥有限元模型建立分析及修正

3.1 概述

3.1.1某大跨悬索桥简介

3.1.2有限元建模概述

3.2桥塔建模

3.2.1桥塔简介

3.2.2桥塔有限元模拟

3.3加劲梁建模

3.3.1加劲梁简介

3.3.2加劲梁有限元模拟

3.4缆索系统建模

3.4.1主缆及吊索简介

3.4.2主缆及吊索简介

3.4.3主缆找形

3.4.4南边跨找

3.5粘滞阻尼器建模

3.6全桥模型静力分析

3.6.1生成全桥有限元模型

3.6.2静力分析

3.7悬索桥模态分析及模型修正

3.7.1模态分析简介

3.7.2模型修正后模态分析

3.8 本章小结

第4章 基于现场监测的三维脉动风场数值模拟

4.1 脉动风场结构

4.2谐波合成法（WAWS法）

4.2.1 谐波合成法原理

4.2.2快速离散傅里叶变换(FFT)的运用

4.3 某大跨悬索桥脉动风场模拟

4.3.1 三维脉动风场模拟假设

4.3.2 脉动风场模拟结果

4.3.3 脉动风场模拟结果检验

4.4 本章小结

第5章 悬索桥抖振响应频域分析

5.1 桥梁抖振风荷载计算

5.1.1 静风风力及抖振力气动模型

5.1.2 气动自激力模型

5.2 结构运动控制方程

5.3 耦合抖振有限元CQC分析方法

5.4 抖振响应频域分析结果

5.4.1 某大跨悬索桥主梁抖振响应分析

5.4.2 抖振响应影响因素分析

5.5 本章小结

第6章 悬索桥抖振响应时域分析

6.1 风荷载时域化

6.1.1 静力风荷载

6.1.2抖振力

6.1.3 气动自激力

6.2 某大跨悬索桥抖振响应时域分析结果

6.3 本章小结

结论

参考文献

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致 谢