非常规荷载运输皮带斜拉桁架桥抗风性能研究

摘要

随着设计理论的发展、建筑材料及施工技术的进步，不仅大跨度桥梁有着极速的发展，特殊用桥也与时俱进各自呈现自己的特色。泰山中联水泥有限公司的石灰石运输皮带通廊全长5000多米，线路跨越了多条公路，铁路和河流村庄，是山东省内最长的运输皮带。运输通廊皮带支架采用了桁架结构形式，并在多处选用了大跨度结构来满足桥下交通和设施的设置问题。运输皮带通廊桁架结构具有跨度大，体积重量小的特点，所以，风荷载作用对结构性能的影响，很有必要进行预测评估。同时，随着计算机的迅猛发展，以计算流体力学为基础的数值方法和有限元软件在不断更新发展，使其慢慢成为一种有效手段进行研究桥梁抗风问题。本文借助数值分析方法，选用通廊运输皮带中跨度最大的斜拉桁架桥作为分析对象，模拟分析和探讨了其在风荷载作用下静动力性能。
　　文章的主要工作包括如下几个方面：
　　（1）利用FLUENT软件中的三种湍流模型对所研究的斜拉桁架桥在不同断面下的静力三分力系数进行了模拟，通过对比分析，选用了对后文分析斜拉桁架桥抗风性能具有更高安全性的k-ε湍流模型模拟得到的在不同攻角下三分力系数数值，作为抗风性能分析参数基础。
　　（2）介绍了桥梁静风稳定性分析研究方法，并选用具有较高精度的非线性静风稳定分析修正的增量与内外两重迭代方法对ANSYS有限元软件进行编程，模拟研究了斜拉桁架桥静风稳定性，模拟结果表明斜拉桁架桥具良好的静风稳定性，同时对比分析发现运营荷载，主梁围挡结构和不同风攻角均对斜拉桁架桥的静风稳定性有很大影响。
　　（3）利用ANSYS软件对所研究的斜拉桁架桥进行了模态分析，介绍了梁的驰振稳定性研究，并运用经典驰振理论对桥梁主梁结构一阶振型下和在不同风攻角下的斜拉桁架桥驰振临界风速进行了预测，结果表明斜拉桁架桥具有较好的驰振稳定性。
　　（4）介绍了三维空间脉动风场的模拟，并运用MATLAB软件对线性滤波法进行编程模拟了三维脉动风场，通过不同模拟点风速功率谱与目标谱比较，发现模拟风谱值与目标风谱值吻合良好，可以为下面进行抖振分析提供数据基础。
　　（5）利用MATLAB软件对由k-ε湍流模型模拟得到的静力三分力系数进行了多项式拟合，经过多次试算后选择了具有较高精确度的四阶拟合结果，由此计算了三分力系数导数，为抖振分析提供了参数基础。
　　（6）介绍了抖振时域分析方法，运用ANSYS软件对不同条件下的斜拉桁架桥进行了线性抖振时域模拟分析，分析表明脉动风荷载下斜拉桁架桥的抖振响应远大于静风荷载响应，脉动风作用情况不可忽略，同时对比分析发现主梁围挡结构和运营荷载对抖振响应时程变化也有很大影响。
　　（7）总结了本文所做的研究工作和成果，给出了研究中得到的一些结论，并为加强斜拉桁架桥抗风性能提出了有效建议。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 桥梁结构抗风理论的研究现状

1.3 论文主要工作

2 数值模拟斜拉桁架桥静力三分力系数

2.1 静力三分力系数

2.2 FLUENT软件数值模拟过程及原理

2.3 斜拉桁架桥三分力系数数值模拟

2.4 本章小结

3 斜拉桁架桥静风稳定性数值模拟研究

3.1 风对桥梁的静力作用

3.2 非线性静风稳定分析方法

3.3 三维静风失稳计算模型

3.4 桥梁静风稳定分类

3.5 斜拉桁架桥静风非线性稳定性研究

3.6 本章小结

4 斜拉桁架桥驰振稳定性研究

4.1 驰振现象及其研究理论

4.2 斜拉桁架桥自振模态分析

4.3 斜拉桁架桥驰振临界风速预测

4.4 本章小结

5 斜拉桁架桥抖振响应数值模拟研究

5.1 三维空间脉动风场的模拟

5.2 斜拉桁架桥脉动风速模拟

5.3 抖振时域分析

5.4 斜拉桁架桥线性抖振时域分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的主要研究成果

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