大跨度斜拉桥风致抖振响应的非线性时程分析

摘要

随着我国跨江海大跨度桥梁的兴建，抖振响应问题成为桥梁抗风性能研究的一个重要方面。本文以杭州湾跨海大桥南、北航道斜拉桥施工过程抗风措施研究课题为背景，进行桥梁结构抖振时域非线性分析研究，并提出切实可行的抗风措施。 采用迭代的谐波合成法拟模拟了各态历经的多变量平稳高斯随机过程。引入了频率双索引的概念来保证模拟结果的各态历经性，并综合了FFT技术改善了模拟精度，提高了模拟计算的效率，为在时域中不断变换风速进行抖振计算提供了条件。 抖振风荷载包括静力风荷载、抖振力、自激力三部分。静力风荷载用风洞试验得出的静力三分力系数计算。抖振力按Scanlan的准定常气动力公式计算，并引入Liepmann的近似公式表达的气动导纳修正。在Scanlan提出的钝体气动力公式基础上，研究了自激力时域化问题，提出了等效节点自激力法，将自激力转化为节点位移矢量及速度矢量的函数，引入气动刚度矩阵和气动阻尼矩阵，结合有限元程序实现自激力的时域化。 考虑了结构的几何非线性、由于静风位移引起的有效静力三分力系数、有效气动导数和气动导纳以及风的不同自然攻角等非线性因素，建立了全面的非线性抖振分析方法。基于APDL参数化有限元分析技术对ANSYS进行了二次开发，实现了大跨斜拉桥的非线性抖振响应时域分析。 对杭州湾跨海大桥南、北航道斜拉桥最大双悬臂状态塔底固结时线性时域分析结果与频域反映谱法的结果进行了比较，验证了程序的可靠性。进行了最大双悬臂状态非线性影响因素分析，结果表明，竖向弯曲抖振响应的最大值及均方根大于线性计算值，扭转抖振响应也略有增加。考虑风攻角变化时，抖振响应的最大值呈现增加趋势。 对南、北航道斜拉桥的不同施工控制状态分别进行了抖振响应分析，其结果与恒载内力叠加，在此基础上提出了施工阶段的抗风措施。对南航道斜拉桥最大双悬臂状态增设抗风措施后的效果进行了验算，结果表明，所采用的抗风措施提高了结构的刚度，有利于控制抖振。

目录

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第1章绪论

1.1桥梁的风致振动

1.2桥梁抖振的研究概况

1.2.1桥梁抖振分析的基本理论

1.2.2时程分析的必要性

1.2.3时程分析的现状

1.3本文的研究背景和内容

1.3.1课题背景

1.3.2研究内容

第2章脉动风速场的模拟

2.1自然风的基本特性

2.2随机风场的模拟方法

2.2.1谐波合成法

2.2.2线性滤波法

2.3脉动风波的生成

2.3.1脉动风谱

2.3.2脉动风场模拟

2.4杭州湾大桥主梁与桥塔随机风场的模拟

2.5本章小结

第3章风荷载计算

3.1静风力荷载

3.2抖振力

3.3自激力

3.3.1脉冲响应函数的自激力表达式

3.3.2等效自激节点力法

3.4本章小结

第4章抖振时程分析方法

4.1大跨度斜拉桥的有限元模型

4.2结构非线性考虑方法

4.2.1索垂度效应

4.2.2结构几何刚度矩阵

4.2.3结构气动非线性考虑方法

4.3考虑大位移影响时静力非线性方程的求解

4.4动力平衡方程及求解

4.4.1动力平衡方程

4.4.2求解策略

4.5抖振时程分析流程及程序设计

4.6本章小结

第5章斜拉桥施工过程风荷载响应抖振时程分析实例

5.1工程结构概况

5.1.1南航道斜拉桥

5.1.2北航道斜拉桥

5.2基本参数

5.2.1施工控制阶段

5.2.2结构基本参数

5.2.3风荷载参数

5.3动力特性计算

5.4计算结果的校核

5.5非线性影响因素分析

5.6施工及成桥状态非线性抖振时程分析

5.6.1南航道斜拉桥

5.6.2北航道斜拉桥

5.6.3组合响应校核

5.7本章小结

第6章斜拉桥施工过程抗风措施研究

6.1桥梁结构的振动控制

6.1.1被动控制

6.1.2主动控制

6.1.3半主动控制

6.1.4混合控制

6.2斜拉索的振动控制

6.2.1空气动力措施

6.2.2辅助索措施

6.2.3附加阻尼设施

6.3杭州湾大桥施工过程抗风措施研究

6.3.1斜拉桥抖振控制措施

6.3.2斜拉桥的风雨振控制措施

6.3.3抗风措施的效果检验

6.4本章小结

结语

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢