铁路斜拉桥施工阶段抖振分析

论文摘要

伴随着材料和施工工艺的发展,新的桥梁结构设计方法已经基本可以避免结构气动失稳的发生。但是,随着桥梁跨度的增加,结构将变得更加轻柔,阻尼更小,质量更轻,这些因素导致了结构对风的敏感性不断增强,结构的风致响应问题变得更加突出。抖振是一种紊流风引起的振动形式,抖振具有在任何风速下都发生的特点。当结构处于施工阶段时,结构刚度较小,抖振可以诱发结构较大的振动,因此,有必要研究施工阶段桥梁的抖振响应。本文以铁路斜拉桥施工阶段的抖振响应为研究对象,主要工作包括以下几个方面：(1)建立了一种简化的斜拉桥三维随机风场模型,并使用谐波合成法编制了相应的风场模拟程序。(2)在结构动力特性计算方面,介绍了钢桁架加劲梁的建模方法；根据刚度和质量等效的原则,建立了单主梁模型来简化模拟整体桁架加劲梁,这种简化模型对后续的风振响应计算非常方便。(3)以Scanlan抖振理论为基础,对静风荷载和抖振力荷载进行了时域化处理,并采用数值积分方法对动力平衡方程进行了逐步求解,获得了结构的抖振响应；开发了抖振分析通用程序。(4)以某铁路斜拉桥的施工阶段为工程背景,详细介绍了节段模型风洞试验和全桥模型风洞试验的内容,并对桥梁的抖振响应进行了测量；采用自己编制的抖振分析程序对该斜拉桥的抖振响应进行了计算分析,对比研究了气动导纳函数及桥塔所受的风荷载对结构抖振响应计算结果的影响。通过对比理论计算结果和风洞试验结果,可以发现：理论计算结果和风洞试验结果变化趋势基本一致；风洞试验的试验值基本处于气动导纳取1和取Sears函数的计算值之间,因此理论分析时应该偏安全地采用气动导纳取1进行计算；考虑桥塔的风效应会更加精确地获得桥塔的横桥向抖振响应；风场相关性函数模型、模拟的风速样本以及计算精度都会影响计算分析的精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铁路斜拉桥的特点及风致振动
• 1.2.1 铁路桁架斜拉桥的特点
• 1.2.2 铁路桁架斜拉桥的风致振动
• 1.3 铁路斜拉桥的抖振理论分析方法
• 1.3.1 抖振频域分析理论
• 1.3.2 抖振时域分析理论
• 1.4 斜拉桥施工阶段抖振响应研究的必要性
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 自然风特性及风与结构相互作用
• 2.1 引言
• 2.2 自然风的基本特征
• 2.2.1 平均风特性
• 2.2.1.1 基本风速的确定
• 2.2.1.2 不同高度处的设计基准风速
• 2.2.2 脉动风特性
• 2.2.2.1 紊流强度
• 2.2.2.2 紊流积分尺度
• 2.2.2.3 紊流风的功率谱密度函数
• 2.2.2.4 紊流风的空间相关性
• 2.3 风与结构相互作用
• 2.3.1 静力作用
• 2.3.2 动力作用
• 2.4 本章小结
• 第3章 铁路斜拉桥三维随机风场的模拟
• 3.1 引言
• 3.2 随机风场模型
• 3.3 随机风场模拟的谐波合成法
• 3.4 斜拉桥的随机风场数值模拟
• 3.4.1 桥址处风速参数
• 3.4.2 风谱及相干函数的选取
• 3.4.3 桥塔风场模拟与检验
• 3.4.4 主梁风场模拟与检验
• 3.5 本章小结
• 第4章 铁路斜拉桥动力分析模型
• 4.1 引言
• 4.2 某铁路斜拉桥概况
• 4.3 某铁路斜拉桥有限元模型
• 4.3.1 桥塔施工阶段有限元模型
• 4.3.2 最大悬臂施工阶段有限元模型
• 4.3.3 单梁有限元模型
• 4.4 结构自振特性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 铁路斜拉桥抖振时域分析
• 5.1 引言
• 5.2 风荷载时域化处理
• 5.2.1 静力风荷载
• 5.2.2 抖振力荷载
• 5.2.3 自激力荷载
• 5.3 线性抖振时程分析
• 5.4 程序编制与算例验证
• 5.5 本章小结
• 第6章 全桥气弹模型抖振试验验证及参数分析
• 6.1 引言
• 6.2 某铁路斜拉桥气弹模型风洞试验
• 6.2.1 节段模型试验
• 6.2.2 施工状态气动弹性模型风洞试验
• 6.2.2.1 模型设计方法
• 6.2.2.2 试验设备及测点布置
• 6.2.2.3 大气边界层风场模拟与测量
• 6.2.2.4 试验工况
• 6.2.2.5 动力特性测试
• 6.3 静风响应计算
• 6.4 抖振响应时域分析和试验结果对比
• 6.4.1 桥塔自立状态抖振时域分析与试验对比
• 6.4.2 最大双悬臂施工状态抖振时域分析与试验对比
• 6.4.3 最大单悬臂施工状态抖振时域分析与试验对比
• 6.4.4 抖振理论计算和试验对比结果的总结
• 6.5 本章小结
• 结论和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目