大跨度桥梁风致抖振疲劳研究

论文摘要

论文首先回顾了大跨桥梁抖振和疲劳频域分析现状以及目前存在的问题,并明确了在频域内快速准确地估算抖振引起的疲劳寿命问题是今后桥梁抖振精细化分析中一个重要的研究方向。本文利用风洞试验和理论分析相结合的方法,对目前大跨度桥梁的风致抖振及其引起的疲劳问题进行了详细和深入地研究。本文的主要研究内容有:1.回顾了抖振的研究历史、现状以及将来的研究方向,分别从频域和时域角度对抖振分析的理论进行了深入论述;2.在研究既有大跨度桥梁非线性分析理论的基础上,提出了空间梁单元的动参考点法,并且用该方法和CR列式法相结合方便快捷地解决了空间梁单元的几何非线性计算问题;3.建立了基于Markov过程的大跨度桥梁风致疲劳频域研究方法,详细论述了其原理和实现过程,并通过实例分析了该算法与其它疲劳算法间的差异;4.指出了桥梁传统软件工程存在的弊端,论述了面向对象软件编制方法的优点,并利用该方法编写了风桥空间耦合振动和随机疲劳分析程序BSANSYS(Bridge Structure Analysis System),及与其配套的基于ObiectARX开发的前处理程序BSCAD;5.以珠江黄浦南汊桥为例,采用BSANSYS软件对该桥进行了抖振时域分析,并充分考虑了几何非线性、气动导纳、自激力、抖振力非线性等因素对结果的影响;通过与风洞试验及抖振频域分析进行比较,验证了结果的可靠性。在抖振分析的基础上,用雨流计数法的频域解评估了南汊桥的疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 大跨度桥梁风致振动研究回顾
• 1.1.1 频域抖振分析
• 1.1.2 时域抖振分析
• 1.2 疲劳分析方法
• 1.2.1 疲劳累积损伤理论
• 1.2.2 多轴疲劳破坏准则
• 1.2.3 随机疲劳寿命
• 1.2.4 应力循环的概率密度函数
• 1.3 风致桥梁振动疲劳分析
• 1.4 本文的研究工作
• 1.4.1 选题的意义和必要性
• 1.4.2 本文主要研究内容
• 第2章 大跨度桥梁抖振分析方法
• 2.1 概述
• 2.2 抖振频域分析
• 2.3 随机风场的模拟
• 2.4 抖振时域分析
• 2.4.1 静风力荷载
• 2.4.2 抖振力
• 2.4.3 自激力
• 2.5 抖振应力响应谱分析
• 2.6 算例验证
• 2.6.1 颤振时域分析验证
• 2.6.2 抖振分析验证
• 2.7 本章小结
• 第3章 大跨度桥梁非线性动力分析理论
• 3.1 概述
• 3.2 桥梁结构的有限元离散
• 3.3 大跨度桥梁非线性行为表征
• 3.3.1 斜拉索的垂度效应
• 3.3.2 梁—柱效应
• 3.3.3 大变形效应
• 3.3.3.1 三种坐标系统
• 3.3.3.2 端横截面坐标系统及随转坐标系统的计算
• 3.3.3.3 梁端总变形计算
• 3.3.3.4 动参考点法
• 3.3.4 非线性平衡方程求解方法
• 3.4 大跨度桥梁的动力响应分析
• 3.4.1 结构振动的特征值
• 3.4.2 结构阻尼矩阵
• 3.4.3 线性动力响应的直接积分法
• 3.4.4 非线性动力响应的直接积分法
• 3.4.5 时间步长选取
• 3.5 算例验证
• 3.5.1 平面梁单元的几何非线性验证
• 3.5.2 有初始内力的索单元几何非线性验证
• 3.5.3 非线性和自由度耦合验证
• 3.5.4 空间梁弯扭大挠度分析
• 3.5.5 动力线性和非线性时程分析验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 大跨度桥梁风致疲劳分析方法
• 4.1 概述
• 4.2 随机疲劳线性损伤理论
• 4.3 考虑平均风速和风向分布影响的抖振疲劳损伤计算
• 4.4 雨流循环计数法
• 4.5 Rayleigh过程的雨流循环概率密度函数
• 4.6 Dirlik的雨流循环概率密度函数经验公式
• 4.7 雨流循环计数法的频域描述
• 4.8 雨流循环概率密度的频域分析方法
• 4.8.1 峰谷值Markov链的一步转移概率
• 4.8.2 荷载峰谷值Markov链的一步转移矩阵
• 4.8.3 人为设定的五个吸收状态
• 4.8.4 峰—峰n步转移概率
• 4.9 雨流循环均值—幅值二维联合概率密度
• 4.10 S-N曲线和平均应力修正
• 4.10.1 S-N曲线修正
• 4.10.2 Goodman修正
• 4.10.3 库德里亚弗采夫修正
• 4.11 大跨度桥梁风致抖振疲劳分析流程
• 4.12 雨流循环概率密度的计算实例
• 4.13 本章小结
• 第5章 面向对象的有限元程序编制
• 5.1 概述
• 5.2 风桥随机疲劳分析程序BSANSYS
• 5.3 有限元的快速算法
• 5.3.1 基于奇偶积的快速算法
• 5.3.2 节点带宽优化
• 5.3.3 求解器的选择
• 5.4 面向对象的程序结构
• 5.4.1 对象的识别
• 5.4.2 对象属性和方法的确定
• 5.4.3 对象之间的关系
• 5.4.3.1 继承关系
• 5.4.3.2 聚合关系
• 5.4.3.3 委托关系
• 5.5 风桥空间耦合振动系统面向对象分析
• 5.5.1 车辆和车辆管理类
• 5.5.2 风荷载管理类
• 5.5.3 风车桥空间非线性耦合振动整体静态关系
• 5.5.4 BSANSYS其它杂项类
• 5.6 面向对象的前处理程序
• 5.7 本章小结
• 第6章 黄浦南汊桥风致振动及疲劳分析
• 6.1 黄浦南汊桥概况
• 6.2 结构动力特性
• 6.3 气动模型试验
• 6.4 气动力参数
• 6.5 抖振时域分析
• 6.5.1 随机风场的模拟
• 6.5.2 结构非线性的影响
• 6.5.3 气动力参数的影响
• 6.5.3.1 气动导纳的影响
• 6.5.3.2 自激力的影响
• 6.5.4 抖振力非线性的影响
• 6.6 抖振频域分析
• 6.7 主梁抖振响应计算和试验结果的对比
• 6.8 主梁抖振疲劳寿命估算
• 6.8.1 各控制点抖振应力响应谱
• 6.8.2 峰-谷值联合概率密度
• 6.8.3 均值—幅值联合概率密度
• 6.8.4 应力循环幅值概率密度
• 6.8.5 疲劳寿命估算
• 6.9 本章小节
• 第7章 结论
• 7.1 论文的主要内容
• 7.2 论文的主要创新
• 7.3 论文的主要结论
• 7.4 对今后研究的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的论文