基于偏相关的大跨度桥梁涡激振动分析方法及应用研究

摘要

本文回顾了大跨度桥梁涡激振动研究的发展历程，介绍了几个代表性的涡激力经验模型及线状钝体的三维涡脱特性。基于涡激振动经验线性模型和Scanlan经验非线性模型，通过典型钝体断面的节段模型测压试验，建立涡激力偏相关下大跨度桥梁三维涡激振动分析方法，并通过简支气弹模型试验验证三维涡振理论的有效性，为准确地分析大跨度桥梁主梁涡振响应提供重要依据。本文主要研究内容有:
　　1.回顾了大跨度桥梁涡激振动研究的发展历程，总结了涡激振动问题的主要研究方法，列举了几座典型桥梁的涡振实例。
　　2.介绍了桥梁风工程中普遍采用的经验线性模型和经验非线性模型，探讨了涡激力参数的识别方法;回顾了典型钝体绕流中的三维涡脱现象，并对现有涡激力跨向相关性研究理论进行讨论，从而为建立大跨度桥梁三维涡激振动分析方法提供必要的理论基础。
　　3.基于经验线性模型和Scanlan经验非线性模型，充分考虑涡激力沿跨向的偏相关特性，用频域分析的方法分别提出基于偏相关的涡激振动线性及非线性分析方法，并对非线性分析方法中的涡激力参数的识别技术进行了修正;建立了适用于大跨度桥梁的三维涡激振动分析方法。
　　4.制作了多种典型钝体断面节段模型（矩形、梯形、流线型箱梁），通过自由振动的方式进行表面测压试验，详细研究了涡激力的跨向相关性及其影响因素，并基于涡激力相关性试验拟合相关函数;详细研究了矩形断面和梯形断面简支气弹模型的涡激力相关性，并与节段模型分析结果进行对比，讨论了结构振型对涡激力的跨向相关性的影响。
　　5.在相同几何缩尺比下，开展了节段模型和简支气弹模型涡激振动试验。利用本文提出的大跨度桥梁三维涡激振动分析理论，通过节段模型试验结果估算气弹模型的跨向涡振响应，并与简支气弹模型的风洞试验结果进行对比，验证了三维涡振理论的有效性。最后，以一大跨度斜拉桥为例说明了本文分析理论在大跨度桥梁涡振分析中的应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 大跨度桥梁抗风简介

1．2 涡激振动研究简介

1．3 涡激振动研究方法

1．3．1 理论分析

1．3．2 计算风工程

1．3．3 现场实测

1．3．4 风洞试验

1．4 涡激振动实例及其抑振措施

1．5 本文研究内容

1．5．1 课题的研究背景及意义

1．5．2 本文主要工作

1．6 本章小结

第2章 涡振分析理论及三维涡脱现象

2．1 经验线性模型

2．1．1 线性模型描述

2．1．2 线性模型气动参数识别

2．2 Scanlan经验非线性模型

2．2．1 非线性模型描述

2．2．2 锁定状态下近似解的讨论

2．2．3 非线性模型气动参数识别

2．3 线状钝体三维涡脱

2．3．1 三维涡脱简介

2．3．2 稳态区域三维涡脱

2．3．3 过渡区域三维涡脱

2．3．4 剪切层区域三维涡脱

2．4 涡激力跨向相关性研究

2．4．1 涡激力跨向相关性研究

2．4．2 涡激力相关性在大跨桥梁中的应用

2．5 本章小结

第3章 基于偏相关的涡振分析理论

3．1 基于偏相关的线性理论

3．1．1 线性理论推导

3．1．2 线性理论的应用

3．1．3 线性理论稳态解的讨论

3．2 基于偏相关的非线性理论

3．2．1 非线性理论建立

3．2．2 非线性理论的应用

3．2．3 涡激力参数Y1和ε识别方法的修正

3．2．4 非线性理论稳态解的讨论

3．3 本章小结

第4章 涡激力跨向相关性试验研究

4．1 风压测量基本概念

4．1．1 脉动风压统计特征

4．1．2 相关函数的概念

4．2 涡激力相关性试验方法

4．2．1 节段模型自由振动测压法

4．2．2 节段模型强迫振动测压法

4．2．3 气弹模型试验法

4．3 Wilkinson涡激力相关性试验介绍

4．4 节段模型测压试验

4．4．1 测压设备

4．4．2 测压模型

4．4．3 测点布置

4．4．4 试验工况

4．4．5 位移测量结果分析

4．4．6 模型表面压力分布特征

4．4．7 涡激力时程分析

4．4．8 振幅对相关性的影响

4．4．9 尾部测点相关性研究

4．4．10 涡振区与非涡振区相关性研究

4．4．11 风攻角对相关性的影响

4．5 涡激力相关函数的拟合

4．6 简支气弹模型测压试验

4．6．1 试验简介

4．6．2 试验工况

4．6．3 气弹模型涡振位移试验结果

4．6．4 涡激力跨向相关性试验结果

4．6．5 振型对涡激力跨向相关性的影响

4．7 相关性试验结论

4．8 本章小结

第5章 三维涡振分析理论应用实例

5．1 涡振响应试验

5．2 涡激力参数识别

5．3 三维涡振线性及非线性分析

5．4 大跨度桥梁应用实例

5．4．1 项目概况

5．4．2 动力特性分析

5．4．3 节段模型涡振试验

5．4．4 三维涡振分析

5．5 关于三维涡振分析方法的讨论

5．5．1 分析方法的选择

5．5．2 分析精度的影响因素

5．5．3 流线型箱梁断面

5．5．4 三维涡振分析理论的应用

5．5．5 尾流的影响

5．6 本章小结

结论及展望

一、主要研究内容

二、主要创新点

三、本文主要结论

四、对今后研究工作的建议

致谢

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间从事的科研项目