山区风特性参数及钢桁架悬索桥颤振稳定性研究

摘要

山区桥梁抗风是风工程领域的难点。国内外针对山区桥梁抗风的研究很少，文献资料匮乏，桥址附近的实测气象资料也严重不足。本文针对目前桥梁抗风规范中比较薄弱山区桥梁抗风问题，以位于山区的贵州北盘江特大桥与湖北四渡河大桥所在周边地形为研究对象，开展了大型地形模拟风洞试验、桥位风观测和数值分析，探索了山区桥址风场分布规律。并在此基础上对山区桥梁的设计风速进行了合理的统计推断。并结合北盘江特大桥，对桁架加劲梁悬索桥的抗风性能开展研究。本文在理论和方法上的进步主要表现在以下几个方面： (1)通过一些山区桥址地形风特性试验研究和桥位风观测分析得到典型山区桥位风场的分布规律。 (2)结合桥址地形模拟风洞试验结果，对附近气象台站的气象资料进行统计推断，提出一种确定山区桥位设计基准风速的梯度风速修正法。 (3)基于FLUENT平台实现对山区地形风特性的CFD数值模拟。 (4)在国内开展了桁架加劲梁悬索桥全桥气弹模型风洞试验，并在气弹模型设计中提出了一种采用单梁模拟桁架加劲梁的刚度且合理简化桁架加劲梁外衣的方法。 (5)提出颤振发生两个必要条件： a．主梁断面气动力合力作用点位置不断左右交替偏离扭心，因此必然存在沿横桥向漂移的较大尺度的旋涡；b．旋涡沿下游漂移速度必须与断面运动速度存在相关性。 (6)发展了用于分析大跨度桥梁气动耦合颤振方法，提出了一种实用的全模态分析方法-最小颤振频率法。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1大跨度桥梁的发展趋势

1.2大跨度桁架加劲梁悬索桥发展

1.3山区桥梁抗风研究现状

1.3.1山区风特性

1.3.2桥梁结构风致振动

1.4本文的研究内容

第2章试验研究内容和方法

2.1概述

2.2山区风特性试验

2.2.1试验模型

2.2.2测点布置与试验工况

2.2.3试验内容与方法

2.4本章小结

第3章山区桥址风特性试验研究和风观测分析

3.1概述

3.2平均风特性研究

3.3脉动风特性研究

3.4 山区桥位风观测分析

3.4.1平均风参数

3.4.2脉动风参动

3.5本章小结

第4章山区桥梁设计基准风速分析

4.1概述

4.2 山区桥位设计基准风速统计推断

4.2.1测站基本风速

4.2.2测站基准风速

4.2.3山区桥位设计风速推算

4.3工程实例分析

4.3.1北盘江特大桥桥位设计风速分析

4.3.2四渡河大桥桥位设计基准风速分析

4.4本章小结

第5章山区桥址风特性的CFD数值计算

5.1概述

5.2湍流模型

5.2.1运动基本方程

5.2.2湍流模型

5.3北盘江大桥桥址风特性数值模拟

5.3.1地形模拟数值模型的建立

5.3.2计算区域的网络离散、紊流模型及边界条件确定

5.3.3数值计算结果与分析

5.4本章小结

第6章桁架加劲梁悬索桥气弹模型设计方法研究

6.1概述

6.2桁架加劲梁悬索桥有限元模型

6.2.1桥梁结构常用单元类型

6.2.2全桥仿真有限元模型

6.2.3施工有限元模型

6.2.4单梁有限元模型

6.3有限元方程

6.3.1固有振动基本控制方程

6.3.2动力特性影响因素

6.4动力特性结果分析

6.5全桥气弹模型设计

6.5.1模型设计方法

6.6动力特性试验

6.7小结

第7章大跨度钢桁架加劲梁悬索桥抗风性能研究

7.1概述

7.2桁架加劲梁悬索桥颤振试验研究

7.2.1颤振试验结果分析

7.2.2颤振机理分析

7.3桁架加劲梁静气动力系数研究

7.4一种实用的全模态颤振分析方法—最小颤振频率法

7.4.1全模态颤振分析基本理论

7.4.2自激力在ANSYS中的实现

7.4.3最小颤振频率法

7.4.4 算例

7.5大跨度桁架加劲梁悬索桥三维颤振分析

7.5.1十八个颤振导数的气动自激力模型

7.5.2北盘江特大桥全模态颤振分析

7.6本章小结

第8章结论与展望

8.1结论

8.2展望

参考文献

附录

致谢

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果