详情

原文传递台风数值模拟及其作用下大跨桥梁非平稳抖振响应分析

论文题名：	台风数值模拟及其作用下大跨桥梁非平稳抖振响应分析
关键词：	台风;数值模拟;大跨桥梁;非平稳抖振响应;风场模型
摘要：	台风作为对地球造成破坏最大的自然气象灾害之一,将对台风易发地区的大跨度桥梁等重要建筑物造成非常大的破坏。为减少台风造成的损失,针对目前台风风场模型及其数值模拟以及大跨度桥梁抗风计算的研究现状,本论文从台风风场理论模型及其应用、复杂地形台风风场数值模拟以及台风作用下大跨度桥梁的非平稳抖振响应分析三个方面进行了系统的研究,进一步促进了台风易发地区大跨度桥梁的防风抗灾减灾研究水平,主要研究内容包括以下几个方面: 　　(1)基于三维Navier-Stokes方程,采用流体静力学近似,并通过引进位温公式以及随地形变化的地形坐标系,并假设空气密度为常数,进行简化提出了考虑温度影响的中心气压差随高度变化的精细化台风风场模型,利用风速分解的方法对其进行了求解。然后,应用于台风“约克”进行了一系列的验证工作。通过香港横澜岛以及深圳地王大厦的数值模拟研究发现,与Meng模型以及Shapiro模型相比,利用精细化台风风场模型能更好的模拟台风的风速、风向。通过台风风场空间分布的研究发现,利用精细化台风风场模型能模拟出与台风卫星照片相似的台风最大风速与次级最大风速特征。另外,通过对距离台风中心不同距离的平均风速剖面与实测平均风速剖面的对比可以发现,利用精细化台风风场模型能更好的预测台风风眼区以及大风区的台风风速剖面。　　(2)利用从香港天文台获取的台风风场历史数据对台风关键参数的备选概率分布模型进行了拟合以及利用K-S检验法确定了相应台风关键参数的最优概率分布,然后利用精细化台风风场模型、根据台风风场历史数据确定的台风衰减模型结合Monte Carlo模拟技术对香港横澜岛的台风极值风速及其风速剖面进行了预测研究。研究结果表明,与Meng模型以及Shaprio模型相比,精细化台风风场模型的台风极值风速预测结果误差最小。另外,不论是在台风风眼区还是大风区,利用精细化台风风场模型均能更好的预测台风的平均风速剖面。　　(3)综合利用台风风场模型、Monte Carlo模拟技术、CFD技术以及神经网络技术提出了复杂地形条件下研究点台风设计风速及其风速剖面数值模拟的计算流程,并进行了详细阐述。选取处于台风易发地区的周围地形比较复杂的香港昂船洲大桥为例验证了此计算流程的可行性以及可用性。根据香港的空间高程信息以及土地利用信息计算得到了昂船洲大桥周围的平均以及随方向变化的地面粗糙长度z0,利用台风数据以及台风风场模型产生了足够多次数的具有方向性的来流台风风场。利用空间高程信息建立了昂船洲大桥周围的地形模型,并利用CFD数值模拟计算得到了昂船洲大桥处与具有代表性的来流台风风场对应的具有代表性的台风风场数据。据此建立了用于预测昂船洲大桥处台风设计风速及其风速剖面的神经网络模型并用于昂船洲处台风设计风速及其风速剖面的预测。研究结果表明,此计算流程是可行、实用的,并且昂船洲大桥处随方向变化的台风设计风速及其风速剖面受地形影响显著。　　(4)以在某点现场实测得到的台风风速时程为基础,对台风的风特性进行了分析,并构建了大跨度桥梁处的非平稳台风风场,特别是对非平稳脉动风演变谱的估计。在此基础上，对非平稳台风风场作用下的时变平均风荷载、非平稳自激力以及非平稳抖振力进行了详细的描述。通过将虚拟激励法推广到时变系统的求解,对台风作用下大跨度桥梁的非平稳抖振响应分析的计算方法进行了详细的推导与阐述,此方法很方便的实现了时变平均风以及非平稳脉动风作用下大跨度桥梁非平稳抖振响应的计算。　　(5)将台风作用下大跨度桥梁的非平稳抖振响应计算方法应用于香港昂船洲大桥的非平稳抖振响应计算中。根据昂船洲大桥处的现场风速实测系统记录的台风“杜鹃”非平稳风速时程建立了昂船洲大桥处的非平稳台风风场模型,以及基于昂船洲大桥有限元模型得到的自振频率及其振型,并利用相关的气动力系数以及颤振导数风洞试验结果,进行了不同工况下昂船洲大桥的时变平均风响应、非平稳抖振响应的计算与比较,考察了时变平均风、演变谱以及荷载瞬态效应对大跨度桥梁非平稳抖振响应的影响,验证了利用上章提出的台风时变平均风以及演变谱作用下大跨度桥梁非平稳抖振响应计算方法的可行性及必要性。
作者：	黄文锋
专业：	结构工程
导师：	徐幼麟;刘红军
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文