双幅桥面自锚式悬索桥力学性能与气动性能研究

摘要

自锚式悬索桥的主缆直接锚固在主梁上，取消了庞大的锚碇。自锚式悬索桥起源于19世纪末，由于其造型美观以及能够适应不良地质条件，迅速在西方国家发展起来。到20世纪末以日本此花大桥、韩国永宗大桥为代表的现代自锚式悬索桥开始兴起，与此同时自锚式悬索桥在国内也逐步发展起来。目前，人们对自锚式悬索桥的研究仅局限于主缆线形分析、静动力性能分析，研究不够深入。本文从自锚式悬索桥力学性能、冗余性方面进行研究。 以国家自然科学基金资助项目(50608030)为依托，针对大跨度双幅桥面桥梁的三分力气动干扰问题进行研究。双幅桥面桥梁由于主梁距离较近，在气流作用下，上游桥面与下游桥面之间存在一定的相互影响，如上下游桥面气动干扰所引起的双幅桥面桥梁主梁涡激共振、颤振稳定性、抖振响应及上下游桥面的风荷载等问题，我们把这些影响称为双幅桥面的“气动干扰效应”，双幅桥之间的气动干扰是大跨度双幅桥面桥梁抗风设计最为关注的问题之一。本文主要研究双幅桥面桥梁之间三分力系数变化规律。 本文以广东佛山平胜大桥一独塔自锚式双桥面悬索桥和“大跨度双幅桥面气动干扰效应研究”为依托，进行了如下研究： 1.对依据分段悬链线线形理论编制的主缆线形求解程序的求解精度进行验证，在此基础上建立自锚式悬索桥有限元分析模型。 2.进行单跨自锚式悬索桥和双跨自锚式悬索桥的参数分析。通过比较分析垂跨比、边主跨比变化对两种自锚式悬索桥力学性能的影响，总结出垂跨比、边主跨比变化对主梁轴力、支座上拔力、主梁位移以及动力特性的变化规律。 3.进行自锚式悬索桥的冗余性分析。通过比较分析因各种外因导致的吊杆断裂以及主梁刚度降低导致的结构力学性能影响，总结出吊杆断裂、主梁刚度降低对主梁轴力、支座上拔力、主梁位移及一阶动力特性的变化规律。 4.结合国家自然科学基金项目进行双桥面的干扰效应分析。以风洞实验测定出双桥面间距变化对主梁三分力系数的变化规律。然后借助CFX软件进行双桥面的数值模拟，了解不同间距下双桥面表面的压力场分布以及速度场分布，并将数值模拟结果和风洞实验结果相对比。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2自锚式悬索桥发展概述

1.2.1历史回顾

1.2.2现代自锚式悬索桥

1.3自锚式悬索桥研究现状

1.3.1自锚式悬索桥的计算理论

1.3.2自锚式悬索桥动力特性研究

1.3.3自锚式悬索桥整体稳定性与极限承载能力研究

1.4双幅桥面的气动干扰效应研究

1.4.1双幅桥面桥梁工程现状

1.4.2双幅桥面研究现状

1.5论文研究目的及意义

1.6论文所做的工作

第2章悬索桥数值分析理论

2.1主缆线形解析计算理论

2.1.1基本假设

2.1.2抛物线理论

2.1.3自重作用下的悬链线理论

2.1.4分段悬链线理论

2.2悬索桥的几何非线性理论

2.3自锚式悬索桥整体稳定性

2.4悬索桥结构的有限元模型

2.4.1主梁力学模型

2.4.2主缆、吊杆的力学模型

2.4.3桥塔和墩柱

2.4.4边界条件

2.5主梁振型和等效质量计算

第3章独塔自锚式悬索桥结构体系参数研究

3.1工程背景

3.1.1平胜大桥概况介绍

3.1.2平胜大桥结构设计

3.2自锚式悬索桥主缆线形分析

3.2.1悬索桥成桥线形分析理论

3.2.2悬索桥成桥线形程序编制

3.3单跨自锚式悬索桥体系参数研究

3.3.1研究方案的确定

3.3.2建立单跨自锚式悬索桥有限元模型

3.3.3边主跨比变化对单跨自锚式悬索桥的影响

3.3.4垂跨比变化对单跨自锚式悬索桥的影响

3.4双跨自锚式悬索桥体系参数研究

3.4.1双跨自锚式悬索桥的设计

3.4.2双跨自锚式悬索桥有限元模型建立

3.4.3边主跨比变化对双跨自锚式悬索桥的影响

3.4.4垂跨比变化对双跨自锚式悬索桥的影响

3.5两种结构体系的对比分析

第4章自锚式悬索桥冗余性分析

4.1研究背景

4.2悬索桥病害形态及机理分析

4.2.1裂缝产生的机理与影响因素分析

4.2.2材料腐蚀产生的机理与影响因素分析

4.2.3成桥状态改变产生的机理及影响

4.3研究方案的确定

4.3.1依次断一根吊杆对全桥的影响

4.3.2依次并排断两根吊杆对全桥的影响

4.3.3主梁损坏对全桥的影响

4.4小结

第5章双桥面气动三分力干扰效应研究

5.1研究背景

5.2双桥面干扰的风洞试验

5.2.1相似条件及模型参数

5.2.2风洞实验理论

5.3风洞实验

5.3.1试验装置介绍

5.3.2实验工况

5.4数值模拟

5.4.1 CFD计算的特点

5.4.2 CFX分析的主要步骤

5.4.3双幅桥面主梁断面三分力系数CFD计算

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢