大跨度钢桁架拱桥风致振动试验与仿真研究

摘要

钢桁架拱桥具有受力合理、结构轻巧、施工快捷和便于节段拼装的特点，在我国西南部山区桥梁建设和沿海地区跨江桥梁建设中担任着重要角色。由于跨谷跨江的需要，钢桁架拱桥的跨度一般在300m以上。跨度的提升将导致拱桥整体刚度降低，加之钢拱桥阻尼较小，使得结构对风的敏感性大大增加，风致振动对结构施工阶段和成桥运营阶段的影响变得重要，尤其在对刚度较低的大悬臂施工阶段。而现行的《公路桥梁抗风规范》条文中，没有给出钢桁架拱桥抗风问题的相关细则，不便于钢桁架拱桥的抗风设计。钢桁架拱桥刚度大，其颤振和涡激共振通长不控制设计，但由于桁架构件多，尤其是施工阶段结构整体性较差，其静风荷载及随机抖振响应问题突出。本论文以沿海地区广州市南沙区明珠湾大桥为研究对象，基于节段模型风洞试验及理论分析手段对大桥的成桥阶段和施工阶段的静风响应及随机抖振风荷载进行了研究。本文主要工作与取得的成果如下:
　　首先，回顾了国内外拱桥的发展历史，简要地介绍了研究拱桥抗风的理论与方法，以及几种常见的风致振动的基本理论知识，对前人在大跨度拱桥的抗风研究进行了总结，提出本文研究的主要内容和研究方法。
　　其次，本文介绍了大跨度钢桁架拱桥的动力特性分析的有限元理论及计算方法，并利用空间系杆结构的有限元模型对明珠湾大桥的结构动力特性进行了分析，得到了成桥状态和施工状态下的基本振型和频率。
　　再次，对明珠湾大桥的主梁和拱肋进行了节段模型风洞试验，测出了相应的静力三分力系数，并进行了静风响应分析。基于谐波合成法，并考虑风速谱随高度变化的特点，利用MATLAB编制了实用的模拟程序，对明珠湾大桥桥位处的三维脉动风场进行了模拟。介绍了抖振的基本理论知识和基于时域分析的抖振响应理论，并利用Scanlan的准定常气动力公式计算了抖振力，对明珠湾大桥进行了抖振响应分析。将静风响应考虑进去，得到了该桥在风荷载作用下的总响应。
　　最后，对大跨度钢桁架拱桥的典型杆件进行了涡激共振仿真分析，考虑流固耦合的作用，将振动方程的数值计算方法编制的UDF嵌入FLUENT软件中，预测了典型杆件可能发生涡振的风速，并绘制出了相应的风速涡振锁定区间图表。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 拱桥抗风研究发展

1．2．1 拱桥抗风的研究内容

1．2．2 拱桥抗风的研究方法

1．3 拱桥的风致问题

1．4 国内外拱桥研究现状

1．5 本文研究内容

第2章 大跨度钢桁架拱桥动力特性分析

2．1 引言

2．2 拱桥动力特性分析的解析方法

2．2．1 竖向弯曲自由振动解析解

2．2．2 侧向弯曲和扭转振动解析解

2．3 拱桥动力特性分析的有限元方法

2．3．1 动力平衡方程

2．3．2 特征方程求解

2．4 成桥状态动力特性

2．5 施工状态动力特性

2．6 本章小结

第3章 大跨度钢桁架桥的静风响应分析

3．1 引言

3．2 主梁静力三分力系数

3．2．1 节段模型风洞试验

3．2．2 三分力系数拟合曲线

3．3 拱肋静力三分力系数

3．3．1 节段模型风洞试验

3．3．2 静力三分力系数曲线绘图

3．4 静风荷载响应分析

3．4．1 桁架的遮挡效应

3．4．2 静风加载模型

3．4．3 成桥状态的静风响应

3．4．4 施工状态的静风响应

3．5 本章小结

第4章 大跨度钢桁架拱桥抖振响应分析

4．1 引言

4．2 三维脉动风场模拟

4．2．1 脉动风速特征

4．2．2 风场的简化

4．2．3 谐波合成法

4．3 风场模拟的工程算例

4．3．1 桥址处风特性

4．3．2 脉动风谱和相关函数

4．3．3 主梁和拱肋脉动风模拟

4．3．4 脉动风场检验

4．4 桥梁抖振的时域分析

4．4．1 抖振力荷载处理

4．4．2 成桥状态抖振响应分析

4．4．3 施工状态抖振响应分析

4．4．4 风致振动总响应分析

4．5 本章小结

第5章 大跨度钢桁架拱桥典型杆件涡振仿真研究

5．1 引言

5．2 典型腹杆动力特性分析

5．3 流体运动基本方程和控制方法

5．3．1 流体控制方程

5．3．2 杆件振动方程及数值计算方法

5．3．3 流固耦合的求解过程

5．3．4 计算模型

5．4 湍流动态绕流仿真

5．4．1 静止绕流数值模拟

5．4．2 涡激振动仿真结果

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文