高墩大跨度连续刚构桥风致响应及温度效应分析

摘要

随着我国桥梁建设事业的不断发展，高墩大跨度连续刚构桥的风致响应及温度效应也引起了工程界的高度重视，在此方面的研究已有了一定进展。然而针对处于诸如内蒙古地区等独特气候环境下的桥梁结构，这两方面研究还不够深入。本文研究对象为内蒙古鄂尔多斯沿黄一级公路南沟特大桥，桥址区常有风沙肆虐，环境温度变化剧烈。本文的研究工作主要包括以下几个方面:
　　(1)根据南沟大桥桥址处独特的地理、气候环境，结合当地气象资料及规范要求，明确了桥址处的基准风速，确定了桥梁结构所受静风荷载的大小。在此基础上，利用计算流体力学专用软件Fluent对桥梁结构断面进行了CFD仿真数值分析，探求了桥梁结构断面在风荷载作用下的风速、压强分布特点，提取了静力三分力系数，并拟合了其与风攻角的函数方程。
　　(2)对比分析了脉动风场模拟的两种常用方法，基于线性滤波法利用MATLAB数学软件编写了桥址处脉动风场模拟程序，获得了全桥168个坐标点位的脉动风速时程并进行了自功率谱对比分析。
　　(4)通过对南沟大桥风致振动的判断分析，确定了风致抖振为其主要风致振动类型。基于准定常气动力理论，利用脉动风速时程计算获得了抖振力时程，进而计算分析出了南沟大桥在施工最大悬臂阶段和成桥运营阶段的风致抖振响应、静风响应及总风致响应。
　　(5)参照规范要求，结合现场实测温度数据，拟合了南沟大桥主梁截面沿梁高方向的温度梯度变化曲线，对桥梁结构施工最大悬臂阶段在温度梯度荷载作用下的变形、应力等温度效应进行了有限元计算并和监控实测数据进行了对比分析。根据历史气象资料，确定了南沟大桥年温差荷载，研究了成桥运营阶段在年温差荷载作用下的温度效应。
　　研究表明:南沟特大桥的主要风致响应为风致抖振，施工最大悬臂阶段较成桥运营阶段对脉动风荷载的作用更为敏感;根据温度实测值自行拟合的主梁截面温度梯度分布曲线与主梁截面温度变化实际情况吻合;年温差荷载对于桥梁上部结构应力影响不大，对桥墩受力及桥梁线形有较大影响，在设计、施工及运营阶段应予以考虑。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高墩大跨连续刚构桥发展概况

1．2 大跨度桥梁风致响应研究概况

1．2．1 静风响应研究

1．2．2 风致抖振响应研究

1．3 高墩大跨度桥梁温度效应研究概况

1．4 课题来源及主要研究工作

第2章 高墩大跨度桥梁静风荷载及三分力系数分析

2．1 场地基本风速

2．2 设计基准风速

2．2．1 设计基准风速的一般规定

2．2．2 桥梁构件基准高度处的设计基准风速

2．2．3 桥梁施工阶段的设计风速

2．2．4 南沟特大桥设计基准风速的计算

2．3 静力风荷载

2．4 静力三分系数CFD数值模拟概况

2．4．1 静力三分力系数分析的主要方法

2．4．2 计算流体力学(CFD)的兴起

2．4．3 计算流体动力学基本方程

2．5 南沟特大桥静力三分力系数CFD数值计算

2．5．1 Fluent简介

2．5．2 数值计算模型及控制参数

2．5．3 数值计算结果及分析

2．6 本章小结

第3章 高墩大跨度连续刚构桥脉动风场模拟

3．1 引言

3．2 脉动风场模拟的主要方法

3．2．1 谐波合成法

3．2．2 AR(p)线性滤波法

3．3 南沟特大桥脉动风场模拟

3．3．1 Matlab程序简介

3．3．2 脉动风模拟程序

3．3．3 脉动风模拟算例

3．4 本章小结

第4章 高墩大跨度连续刚构桥风致响应分析

4．1 高墩大跨度连续刚构桥动力特性分析

4．1．1 工程概况

4．1．2 结构自振特性分析基本理论

4．1．3 结构自振特性计算结果

4．2 南沟特大桥风致振动判断分析

4．3 南沟特大桥风致抖振力计算

4．3．1 静风风力计算

4．3．2 准定常气动力理论

4．3．3 按照准定常气动力理论的抖振力计算

4．3．4 主梁上的准定常抖振力计算

4．4 南沟特大桥成桥状态风致抖振响应时域分析

4．4．1 基本计算工况

4．4．2 成桥运营阶段风致响应计算结果

4．4．3 施工最大悬臂阶段风致响应计算结果

4．4．5 计算结果分析

4．5 本章小结

第5章 高墩大跨度连续刚构桥温度效应分析

5．1 温度荷载的分类、成因和特点

5．2 混凝土箱梁温度效应分析

5．2．1 平面梁温度应力计算理论

5．2．2 空间模型温度应力计算理论

5．2．3 箱梁竖向温度梯度

5．3 高墩大跨连续刚构桥施工最大悬臂阶段日照温度效应分析

5．4 高墩大跨连续刚构桥年温度效应分析

5．5 本章小结

第6章 结论及展望

6．1 主要结论及分析结果

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文

攻读硕士学位期间参加的项目