大跨度悬索桥风致抖振时域分析与涡振性能研究

摘要

伴随着科技革命带给我们新的建筑理念以及材料的进步，现代桥梁向大跨度、轻柔、纤细的方向发展，导致了风致敏感性的增加。在所有风引起的动力作用下的振动中，又以抖振与涡激振动比较常见，因其是在低风速下容易发生的风致振动。在对本悬索桥进行抖振分析时，采用了时域分析方法，而放弃了频域分析方法。因悬索桥几何与气动非线性都比较明显，采用时域分析方法可以反应抖振响应的时间历程。由于涡激振动现在没有完善的理论解，本文借助风洞试验通过改变桥梁断面的气动外形找到了抑制涡振的有效措施。
　　 本课题的研究是以某悬索桥为工程实例，对其进行了成桥状态时域抖振分析和涡振分析。是在计算机编程、有限元分析、风洞试验的基础上完成的。主要内容有:
　　 (1)、根据此悬索桥构造形式，将桥梁所在场地的三维脉动风场给予适当简化，基于此用谐波合成法模拟出了此桥三维脉动风场。
　　 (2)、采用ANSYS有限元软件，建立了某悬索桥有限元模型，对此桥进行了动力特性分析。
　　 (3)、对静风荷载、抖振力荷载和自激力荷载进行时域化处理。采用Scanlan的准定常气动力理论计算抖振力，自激力是采用ANSYS中的Matrix27号单元来实现，对准定常气动力模型，先用双泰勒展开，导出的单元气动阻尼矩阵和气动刚度矩阵与自激力等价。考虑气动导纳的影响时，采用Liepmann提出的平板气动导纳函数来近似计算。本文还在此基础上探讨了风速、风攻角的变化影响成桥状态抖振响应的情况。
　　 (4)、通过风洞试验确定此桥存在涡振，并且进一步通过试验研究出抑制此桥涡振的有效措施。
　　 (5)、总结本文对悬索桥抖振与涡振的研究，有一定的工程参考价值，并且指出了需要进一步有待解决的问题。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 大跨悬索桥及加劲梁断面的发展概况

1．3 桥梁抖振与涡激振动研究概况

1．3．1 抖振频域分析方法

1．3．2 抖振时域分析方法

1．3．3 涡激振动分析方法

1．4 本文主要研究内容

第2章 边界层风特性与风洞模型试验技术

2．1 桥梁抗风理论的研究方法

2．2 边界层风特性

2．2．1 平均风特性

2．2．2 脉动风特性

2．3 风洞模拟

2．3．1 风洞模型试验种类

2．3．2 风洞模型相似理论

2．4 本章小结

第3章 悬索桥三维空间脉动风场模拟

3．1 引言

3．2 风场简化

3．3 谐波合成法模拟风场

3．4 悬索桥风场模拟

3．4．1 风场模拟基本参数的选取

3．4．2 桥塔风场模拟

3．4．3 主梁风场模拟

3．4．4 主缆风场模拟

3．5 本章小结

第4章 悬索桥结构动力特性分析与静力节段模型风洞试验

4．1 工程概况

4．2 动力特性分析

4．3 主梁静力节段模型风洞试验

4．3．1 静力三分力系数

4．3．2 三分力系数的曲线拟合

4．4 本章小结

第5章 悬索桥抖振时域分析

5．1 风荷载的时域化

5．1．1 静风荷载

5．1．2 抖振力风荷载

5．1．3 气动自激力

5．2 线性抖振时域分析

5．2．1 风荷载的加载

5．2．2 成桥状态线性抖振时域分析

5．2．3 计算结果复核

5．3 抖振响应的影响因素研究

5．3．1 气动导纳函数

5．3．2 气动自激力

5．3．3 风速

5．3．4 风攻角

5．4 本章小结

第6章 悬索桥涡激振动性能风洞模型试验

6．1 引言

6．2 涡激振动特性

6．2．1 涡振的影响因素

6．2．2 基本特性

6．3 动力节段模型系统

6．3．1 系统参数设计

6．3．2 实验结果与分析

6．4 抑制主梁涡振的措施风洞模型试验研究

6．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间参加的科研项目