基于ANSYS的大跨度四塔悬索桥风致颤振及抖振研究

摘要

20世纪以来，现代悬索桥的建设取得了巨大成就。进入21世纪，世界桥梁工程进入了跨海连岛工程的新时期，多塔连跨悬索桥作为实现超长连续跨越的理想方案方兴未艾。三塔悬索桥是从传统双塔悬索桥向多塔悬索桥发展的一次飞跃，中塔的引入使得其动静力特性较之两塔悬索桥更加复杂。而对于四塔以上的大跨度悬索桥，目前还没有相关工程实例，其在结构体系、中塔选型、抗风抗震等方面的关键技术问题亟需解决。本文以一座大跨度四塔悬索桥为研究背景，结合大型有限元分析软件ANSYS，紧紧围绕大跨度多塔悬索桥风致抖振和颤振两个研究热点展开了系统研究，研究内容涉及四塔悬索桥有限元建模、动力特性分析、风场模拟、抖振时域分析以及颤振稳定性分析等五个方面。主要研究内容包括:
　　1)大跨度四塔悬索桥有限元建模及动力特性分析。根据所拟定的主要结构设计参数，将整体结构离散为桥面系统、主塔系统、主缆系统和吊杆系统4个部分进行模拟，基于ANSYS建立了该桥的三维有限元计算模型。采用Block Lanczos法获得了该桥的模态频率和振型，并对前30阶模态进行了较为深入的分析。进一步地，重点研究了包括主缆矢跨比、恒载集度、主梁刚度以及中塔刚度等结构关键参数对该桥动力特性的影响。
　　2)大跨度四塔悬索桥三维脉动风场模拟。根据该桥结构形式及振动型态的特点，结合自然风的相关特性，将三维脉动风场简化为多个独立的一维脉动风场。运用谐波合成法并引入FFT技术，以规范谱为目标谱生成了该桥主梁和主塔上等间距分布作用点的脉动风速时程。其次从功率谱与相关性两个方面进行了检验，检验结果验证了本文所采用的风场模拟方法的有效性和可靠性。
　　3)大跨度四塔悬索桥抖振性能及其影响因素研究。根据Davenport准定常理论，将作用于桥梁上的风荷载处理为静风力、抖振力和自激力三部分。然后介绍了基于ANSYS的抖振时域分析方法，并对该四塔悬索桥的抖振性能进行了详细分析，深入分析了主梁、主缆以及主塔等构件的抖振响应特征，并探讨了气动自激力、风谱模型以及主梁刚度、矢跨比、中塔刚度等结构参数对结构抖振性能的影响。
　　4)大跨度四塔悬索桥颤振稳定性分析。首先回顾了Scanlan提出的自激力表达式，然后介绍了一种全模态颤振频域分析方法以及其在ANSYS中的实现过程。以一具有理想平板截面的简支梁为算例，其颤振分析结果与其他文献中的计算结果以及理论解十分吻合，验证了该方法的可靠性。在此基础上开展了该四塔悬索桥的颤振稳定性研究，分别计算了不同风攻角下的复特征值随风速的变化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 悬索桥发展概述

1．2．1 传统悬索桥的发展

1．2．2 多塔连跨悬索桥

1．3 桥梁结构的风致振动

1．4 桥梁风工程主要研究手段

1．5 大跨度多塔悬索桥研究进展

1．5．1 静动力特性研究

1．5．2 抖振性能研究

1．5．3 颤振性能研究

1．6 本文主要研究内容

参考文献

第二章 大跨度四塔悬索桥动力特性及参数影响分析

2．1 引言

2．2 四塔悬索桥有限元建模

2．2．1 工程概况

2．2．2 结构有限元建模

2．3 四塔悬索桥动力特性分析

2．4 结构关键参数变化对动力特性的影响

2．4．1 主缆矢跨比

2．4．2 恒载集度

2．4．3 主梁刚度

2．4．4 中塔刚度

2．5 本章小结

参考文献

第三章 大跨度四塔悬索桥三维风场模拟

3．1 引言

3．2 谐波合成法

3．2．1 Deodatis谐波合成法

3．2．2 FFT技术的运用

3．3 四塔悬索桥三维风场模拟

3．3．1 风场的简化

3．3．2 目标谱的选取

3．3．3 主梁风场模拟

3．3．4 主塔风场模拟

3．4 本章小结

参考文献

第四章 大跨度四塔悬索桥抖振时域分析及影响因素研究

4．1 引言

4．2 桥梁抖振响应时域分析方法

4．2．1 时域风荷载处理

4．2．2 基于ANSYS的抖振时域分析方法

4．3 四塔悬索桥抖振响应分析

4．3．1 主梁断面气动参数

4．3．2 主梁抖振响应

4．3．3 主缆抖振响应

4．3．4 主塔抖振响应

4．4 四塔悬索桥抖振性能影响因素研究

4．4．1 气动自激力

4．4．2 风谱模型

4．4．3 主梁刚度

4．4．4 矢跨比

4．4．5 中塔刚度

4．5 本章小结

参考文献

第五章 大跨度四塔悬索桥颤振频域分析

5．1 引言

5．2 桥梁颤振频域分析方法

5．2．1 Scanlan自激力模型

5．2．2 气动自激力在ANSYS中的实现

5．2．3 机械阻尼的引入

5．2．4 基于ANSYS的颤振频域分析方法

5．3 理想平板简支梁算例

5．4 四塔悬索桥颤振稳定性分析

5．5 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 主要研究工作与结论

6．2 研究工作展望

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢