相关风-浪联合作用下斜拉索跨海大桥结构动力响应分析

摘要

跨海大桥是洲际之间、国家之间、本土与岛屿之间的交通联系纽带。斜拉索跨海桥具有更大的跨越能力，是一种主要的跨海桥梁结构。跨海桥梁在施工、使用过程中会遭受风、浪、流等海洋环境荷载的作用，特别是跨海斜拉桥具有塔高、跨度大等特点，在风、浪、流作用下结构动力响应显著。海洋风、浪之间存在一定的相关性，其相关性影响风、浪荷载大小的同步性，进而影响结构的动力响应。目前风、浪之间相关性如何影响结构的动力响应的研究尚未深入研究，但结构响应是结构安全设计的关键，因此研究风-浪相关性对斜拉索跨海大桥结构动力响应的影响规律将为跨海桥梁结构设计考虑风-浪相关性提供重要基础。因此本文采用数值模拟方法对相关风-浪联合作用下斜拉索跨海大桥结构动力响应进行深入分析，主要研究内容如下： 首先，分析比较各类平均风剖面、脉动风速谱、脉动风空间相干函数、随机波浪谱等风、浪特性描述函数，选取合理函数描述海洋风、浪特性，使后续生成的风、浪时程更符合实际海况。 然后，根据风、浪时程的频域特性，确定其频域划分区间，以保证模拟风、浪时程在时域上的同步性。根据风-浪空间相干函数或系数建立风-浪相关谱密度，在此基础上构造风-浪联合谱矩阵，对风-浪联合谱矩阵进行Chokesky分解，使用谐波合成法生成具有不同相关性的风-浪要素联合时程。 最后，利用具有相关性的风-浪要素联合时程计算相应的风-浪联合作用力，在此基础计算分析其联合作用下斜拉索跨海大桥动力响应。 分析结果表明，风-浪相关性对大桥结构动力响应影响明显，相关性越强的风-浪联合作用造成的结构动力响应越大，风-浪相关性强弱与结构动力响应大小基本呈正相关。 本文研究结果为考虑风-浪相关性的斜拉索跨海大桥结构设计提供了参考，对进一步探究考虑风-浪相关性的跨海大桥结构动力响应计算方法提供重要基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 关于随机风作用机理的研究

1.2.2 关于随机波浪作用机理的研究

1.2.3 关于风-浪联合作用的研究

1.3 研究内容及方法

2 相关风-浪环境要素时程模拟

2.1 海洋随机风场特性

2.1.1 平均风特性描述方法

2.1.2 脉动风特性描述方法

2.1.3 脉动风空间相干性描述方法

2.2 海洋随机波浪特性

2.3 风-浪环境要素同步模拟方法

2.3.1 风-浪频域同步划分方法

2.3.2 风-浪联合谱矩阵构造方法

2.3.3 同步风-浪时程计算方法

2.4 相关风-浪时程模拟

2.5 本章小结

3 相关风-浪荷载时程及结构动力响应计算

3.1 风荷载时程计算

3.1.1 风致静力荷载

3.1.2 风致动力荷载

3.2 波浪荷载时程计算

3.3 结构动力响应计算

3.4 本章小结

4 相关风-浪联合作用斜拉索跨海大桥动力响应分析

4.1 斜拉索跨海大桥有限元模型

4.1.1 斜拉索跨海大桥参数介绍

4.1.2 斜拉索跨海大桥有限元模型

4.1.3 斜拉索跨海大桥动力特征

4.2 不同相关性风-浪计算工况设置

4.3 不同相关性风-浪作用下结构动力响应分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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