斜风作用下大跨度桥梁抖振非线性时域分析及实验验证

摘要

本文在现有的抖振基本理论以及斜风抖振频域分析方法的基础上，建立了一套大跨度桥梁抖振非线性时域分析方法，重点分析和研究脉动风非线性以及气动非线性等因素对桥梁抖振的影响，主要工作包括以下几方面： 1、针对目前斜风作用下桥梁抖振频域分析方法不能全面的考虑桥梁结构和气动非线性的问题，基于准定常理论及斜气动片条理论，建立斜风作用下考虑静风非线性大位移效应、三维脉动风和结构运动引起的气动力非线性效应的桥梁随机抖振非线性时域分析方法。分析中，将脉动风分为低频和高频两个部分，低频部分抖振力和自激力按照准定常理论建模，并通过瞬时等效风攻角和风偏角考虑了脉动风和结构运动产生的非线性效应，而高频部分的自激力按照线性非定常模型计算，高频部分的抖振力则可按非线性准定常模型也可以按线性模型计算，并通过引入气动导纳函数来考虑非定常效应。 2、开发了用于测量斜风下桥梁断面六分量气动力系数的双支式节段模型六分量测力的实验装置，并通过风洞试验，获得了主梁断面六分量气动系数随风偏角和风攻角变化的数据库，分析了六分量气动力系数随风向角变化特点和规律。结果表明：斜风下主梁六分量气动力系数随风偏角和风攻角的变化并非单调增减，而是在局部风偏角和风攻角范围内取得相应的极值点。 3、对南京长江三桥在斜风下的抖振响应进行了频域和非线性时域分析，并将其与相应气动弹性模型风洞试验结果进行对比，结果表明：非线性时域计算结果与频域计算结果相比更接近试验结果，与试验结果基本吻合。 4、利用所建立的分析方法，对南京长江三桥抖振响应参数进行了分析，结果表明：合适的脉动风高、低频分频点应满足脉动风波长介于8～12倍桥梁宽度的准则；气动非线性效应会明显增大抖振响应计算结果，并使其更接近于试验值；桥梁静风初位移会使桥梁竖向抖振响应数值有所增大；脉动风紊流度的增大也会增大桥梁的抖振响应；ν方向脉动风分量对于桥梁抖振响应影响较小，而忽略自激力影响将使得抖振响应计算结果显著增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1研究背景和意义

1.2研究内容及技术路线

1.2.1研究内容

1.2.2技术路线及框图

1.3本文的总体构成

第二章抖振分析方法回顾

2.1风对结构的作用

2.1.1风的静力作用

2.1.2风的动力作用

2.1.3抖振

2.2桥梁抖振研究概况

2.2.1经典抖振分析方法

2.2.2抖振研究的进展

2.3三维脉动风的模拟

2.4小结

第三章斜风抖振非线性分析方法

3.1桥梁抖振运动控制方程

3.2坐标系统介绍

3.2.1总体结构及总体风轴坐标系

3.2.2局部结构坐标系

3.2.3局部参考坐标系

3.2.4局部平均风和瞬时风坐标系

3.3坐标系间的转换

3.3.1总体结构及总体风轴坐标系间转换

3.3.2总体结构及局部结构坐标系间转换

3.3.3局部结构及局部参考坐标系间转换

3.3.4总体结构及局部参考坐标系间转换

3.3.5总体风轴及局部参考坐标系间转换

3.3.6局部参考及局部平均风坐标系间转换

3.3.7局部参考及局部瞬时风坐标系间转换

3.4瞬时等效风偏角与风攻角的确定

3.4.1局部参考坐标系下的风向量

3.4.2局部平均风攻角和风偏角

3.4.3局部瞬时风攻角和风偏角

3.4.4局部平均风攻角和风偏角增量

3.5作用在单元上的气动力

3.5.1低频气动力

3.5.2高频气动力

3.5.3单元节点上的气动力

3.5.4总体结构坐标系下的气动力

3.6运动控制方程的求解

3.7程序编制流程图

3.8小结

第四章斜风下气动系数试验识别

4.1南京长江三桥简介

4.2气动力六分量系数测试节段模型风洞试验

4.2.1支架系统

4.2.2节段模型

4.2.3模型安装

4.2.4测力仪器

4.3试验工况及主要测试结果

4.3.1试验工况

4.3.2数据处理

4.3.3主要测试结果

4.4小结

第五章抖振理论分析及实验验证

5.1南京长江三桥动力特性

5.2大气边界层风场模拟

5.3气弹模型风洞试验结果

5.3.1成桥状态抖振响应结果

5.3.2最长单悬臂状态抖振响应结果

5.4南京长江三桥气弹模犁抖振非线性时域分析基本参数

5.4.1三维脉动风场参数

5.4.2三维空间脉动风速场的计算机模拟

5.4.3高、底频脉动风分界点的确定

5.4.4桥塔三分量气动力系数

5.4.5拉索气动力系数

5.4.6主梁气动自激力系数

5.4.7静风非线性位移

5.5理论分析结果与试验结果对比

5.5.1最长单悬臂状态理论与试验结果

5.5.2成桥状态理论分析与试验结果

5.5.3风偏角的影响

5.5.4试验对比结论

5.6小结

第六章抖振响应参数分析

6.1脉动风高、低分界点的影响

6.2气动力非线性影响因素分析

6.2.1瞬时等效风向角的影响

6.2.2不同气动力模型的影响

6.3静风初位移的影响

6.4脉动风紊流度的影响

6.5脉动风横风向v分量的影响

6.6自激力的影响

6.7小结

第七章结论与展望

7.1本文主要工作内容

7.2实际应用结论

7.3本文的创新点

7.4需要改进之处和对进一步研究的建议

附录1桥梁主要振型图

附录2桥塔气动三分力系数

附录3气动导数随风速变化曲线

附录4主梁断面自激力系数的拟合结果

附录5不同脉动风分频点脉动风时程信号

参考文献

作者简介

致谢