新型斜拉桥与摩天轮复合结构动力特性研究

摘要

斜拉桥具有合理的受力形式，近年来，在世界范围内，其建设高潮迭起，尤其是我国，斜拉桥得到了空前的发展。动力性能对斜拉桥的安全有很大影响，因此研究斜拉桥的动力特性很有意义。 桥梁的动力特性主要包括地震响应分析和风振研究。传统的结构抗震设计假定地面运动在整个基础范围内是一致的，但由于行波效应等，结构在地面各支点运动的非一致激励效应的影响不容忽视；此外由于风灾造成的事故频繁发生，桥梁的风振研究也日益引起研究人员的兴趣。本文以天津慈海桥为工程背景，以新型斜拉桥与摩天轮复合结构为研究对象进行了地震响应分析和风振研究。 建立非一致激励下斜拉桥结构的动力平衡方程。介绍了本文求解结构动力平衡方程所用Newmark-β数值积分方法，介绍了考虑非线性的增量方程，研究了分析行波效应的两种方法：相对运动法和大质量法。 对整体结构进行模态分析，得出结构的自振特性，为结构的抗震研究提供基础。分别计算了慈海桥单向地震波和三向正交地震波联合作用下的地震响应。对比分析了非一致地震激励的行波效应对慈海桥关键点的内力和位移的影响。计算比较了不同相位差行波效应对结构的时程响应。 介绍了数值风洞法的核心内容——计算流体动力学(CFD)，分析了流体动力学的控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程(N-S方程)和能量守恒方程。介绍了基于有限体积法的控制方程的离散和流场数值计算的主要方法——SMPLE算法。从工程实际应用的观点出发研究了模拟流体湍流流动的三种两方程三维湍流模型。 采用流体动力学理论的数值风洞法，运用FLUENT软件计算了风荷载作用下斜拉桥周围的风压场和流速场，研究了斜拉桥表面风压系数的数值模拟结果，并比较了风压系数的数值模拟结果和风洞试验结果。通过风洞试验对桥塔空气动力不稳定性进行了分析，提出抑制风振发生的措施。 对斜拉索的振动类型、振动机理作了归纳，并提出了抑振方法，并重点介绍了风雨振的特点和发生条件。研究了世界著名桥梁拉索的风振现象和抑振措施，最后针对慈海桥可能发生的风振类型提出了抑振措施。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1斜拉桥概述

1.1.1斜拉桥的定义

1.1.2斜拉桥体系

1.1.2斜拉索的布置

1.1.3桥塔的造型

1.1.4主梁型式

1.1.5斜拉桥的发展概况

1.1.6斜拉桥发展的原因

1.1.7斜拉桥的发展前景及发展趋势

1.2斜拉桥地震反应研究的发展与现状

1.2.1静力法

1.2.2动力反应谱法

1.2.3动态时程分析法

1.2.4随机振动法

1.3桥梁结构风荷载研究方法

1.3.1现场实测

1.3.2 理论分析

1.3.3风洞试验

1.3.4数值风洞法

1.3.5三种研究方法的比较

1.4摩天轮概述

1.5新型斜拉桥与摩天轮复合结构选题背景

1.6本文主要工作

第二章多点激励结构地震响应分析

2.1影响大跨度桥梁地震响应的几个主要因素

2.1.1斜拉桥的几何非线性

2.1.2材料非线性

2.1.3非一致激励的影响

2.2地震动输入的确定

2.3多点激振下的增量动力平衡方程

2.3.1线性运动方程的建立

2.3.2多点激励下的动力平衡方程

2.3.3增量动力平衡方程

2.3.4运动方程的数值解法

第三章新型斜拉桥与摩天轮复合结构地震响应分析

3.1有限元模型

3.2新型斜拉桥和摩天轮复合结构的自振特性

3.3本文所采用的地震波输入

3.4三向地震波一致输入下的地震响应分析

3.5沿纵桥向考虑多点激励行波效应结构响应分析

3.6相位差变化对慈海桥位移和内力的影响

第四章风场数值模拟理论基础

4.1流场数值模拟的数学模型

4.1.1流场的控制微分方程

4.1.2湍流及其模拟方法概述

4.1.3 Boussinesq假设

4.1.4涡粘系数模型(EVM)

4.2 k-ε两方程模型

4.2.1标准k-ε模型

4.2.2重正化群(Renormalization Group，RNG)k-ε模型

4.2.3可实现性(Realizable)k-ε模型

4.3壁面函数法

4.4微分方程的离散

4.4.1有限体积法(Finite Volume Method)

4.4.2网格的划分方法

4.4.3数值插分格式

4.4.4离散方程的求解

4.5 SIMPLE算法

4.5.1交错网格(Staggered Grid)

4.5.2压力修正

4.5.3 SIMPLE算法的计算步骤

4.6边界条件

第五章新型斜拉桥风场数值模拟与风洞试验研究

5.1 CFD软件简介

5.1.1专用的CFD前置处理器—Gambit

5.1.2基于非结构化网格的通用CFD求解器-Fluent5/6

5.2物理模型和数学模型的选择

5.2.1物理模型描述

5.2.2湍流模型的选择

5.3边界条件及壁面的处理

5.4风场数值模拟分析结果

5.4.1风压系数分布

5.4.2湍动能分布

5.4.3速度分布与流场分析

5.5风洞试验风压系数结果分析

5.5.1试验风洞及模型

5.5.2试验风速与风向

5.5.3风压系数定义

5.5.4风洞试验结果分析

5.6数值模拟与风洞试验比较结果

5.7空气动力不稳定振动风洞试验

5.7.1整体结构风力测定

5.7.2倒Y塔架层风力系数

5.7.3风洞试验结论

第六章斜拉桥索的风致振动及抑振措施

6.1斜拉索的风致振动

6.1.1斜拉索振动的主要类型

6.1.2风雨振的特点及形成条件

6.2斜拉索的抑振措施

6.2.1机械方法

6.2.2空气动力学方法

6.3斜拉索振动的典型事例及抑振措施

6.3.1名港西大桥拉索振动

6.3.2柜石岛桥·岩黑岛桥的拉索振动

6.3.3塔科马(Tacoma)大桥

6.3.4伯劳东纳(Brotonne)桥

6.3.5科尔布兰特(Kohlbrand)桥

6.3.6其他风振实例

6.4慈海桥斜拉索的风致振动及抑振方法

6.5小结

第七章结论与展望

7.1本文主要结论

7.2未来工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢