大跨度中承式拱橋風致振動研究.pdf

1、大跨度中承式拱橋屬于柔性結構，在風振作用下很容易發(fā)生靜風失穩(wěn)、抖振和渦激振動等風致響應。與大跨度的懸索橋、斜拉橋等橋型不同，大跨度中承式拱橋屬于三維受力結構體系，在風致振動時需要考慮主梁與主拱的協(xié)同作用。主拱風荷載比較復雜，需要考慮風速沿高度變化、荷載空間相關性以及主拱之間相互干擾等因素。并且，鈍體截面的主拱在低風速下容易產(chǎn)生渦激振動。因此，根據(jù)大跨度中承式拱橋的上述特點，針對大跨度中承式拱橋靜風穩(wěn)定性、抖振以及渦激振動等方面進行了較為

2、深入的研究。本文的工作主要有以下幾個方面： （1）系統(tǒng)地分析了單拱及雙拱相互干擾下的靜風荷載情況。以重慶菜園壩長江大橋為例，通過單拱與雙拱節(jié)段模型風洞試驗與流體力學數(shù)值模擬，討論了不同攻角、不同間距下單拱與雙拱相互干擾下靜力三分力系數(shù)的變化規(guī)律。分析表明，單拱阻力系數(shù)變異性較小，升力系數(shù)與力矩系數(shù)變異系數(shù)較大。雙拱的靜力三分力系數(shù)、變異性以及受湍流度的影響等均與兩拱間距寬度比及豎向相對位移有關。 （2）發(fā)展了大跨度中承式

3、拱橋在靜風荷載作用下的全過程位移響應分析方法，深入分析了靜風作用下大跨度中承式拱橋的屈服失穩(wěn)機理。分析表明，考慮靜力三分力非線性使得極限風速減小，同一風速下計算的內力和位移偏大。靜風初始攻角與材料的屈服強度對靜風承載力影響較大。不同施工態(tài)的極限風速都由施工塔架的穩(wěn)定性決定。 （3）提出了在湍流中兩榀拱相互干擾下風荷載功率譜的求解方法。通過在湍流中的雙拱測壓節(jié)段模型試驗，深入探索了由于兩榀拱之間干擾而導致兩拱抖振力的變化規(guī)律。以單

4、拱脈動風速功率譜為參照，根據(jù)均方值等效的原則確定在湍流中兩拱的脈動風速功率譜。實踐表明，上述求解是比較準確的。 （4）推導了用于大跨度中承式拱橋抖振分析的運動方程。該方程考慮了風速隨高度變化、主梁與主拱耦合振動以及多模態(tài)和模態(tài)耦合效應。分別采用SRSS法、CQC法以及虛擬激勵法對重慶菜園壩長江大橋進行抖振分析。分析表明，SRSS法誤差較大，高階模態(tài)對結果有顯著影響，水平風速譜對抖振起到主要作用，交叉風速譜在計算中可以不計，由于受

5、干擾影響，后拱的荷載功率譜及響應結果都明顯增大。 （5）模擬了大跨度中承式拱橋的三維風場，實現(xiàn)了大跨度中承式拱橋的時域分析。利用諧波合成法，考慮兩拱抖振力功率譜相互干擾、空間相關性等因素實現(xiàn)了風場模擬。對隨機數(shù)生成及時間間隔取值問題給出了建議。采用FFT變換、編程優(yōu)化以及功率譜插值等技術，大大提高了模擬的效率。時域分析的結果與試驗吻合較好，幾何非線性對大跨度中承式拱橋抖振響應影響較大。 （6）進行了單拱與雙拱干擾的渦激振

6、動節(jié)段模型試驗。從單拱的試驗可見，阻尼比越小，響應幅值越大，共振鎖定區(qū)域越大。當阻尼增大到一定程度時，結構不出現(xiàn)渦激振動。從雙拱的試驗可見，前面放置拱進行遮擋后，后拱的振幅大大減小，呈節(jié)拍起伏變化，鎖定區(qū)域較單拱小得多。 （7）推導了考慮風速隨高度變化的三維梁單元的渦激振動方程。提出了兩種渦激振動激共振鎖定區(qū)的穩(wěn)態(tài)解的求解方法：Wilson- 法（結合Newton-Raphson迭代法）以及能量法。利用上述方法對簡支梁和重慶菜園