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原文传递三塔斜拉桥三维颤振分析

论文题名：	三塔斜拉桥三维颤振分析
关键词：	斜拉桥;颤振分析;有限元法;自振特性
摘要：	斜拉桥相比于梁式桥，其整体刚度较小，而三塔斜拉桥相比于独塔或双塔斜拉桥，由于中间两跨缺少辅助墩和过渡墩的帮助，使其刚度更小，柔度更大。正是由于柔度的增大，三塔斜拉桥的动力响应会比较明显，振幅较大。斜拉索的大振幅振动是十分不利的，其一斜拉索会产生疲劳破坏，其二斜拉桥存在主梁和斜拉索耦合振动，索的大幅振动势必会对主梁产生明显的影响，所以研究斜拉索的局部振动是十分必要的。同样由于斜拉桥的轻质量和小刚度，它对风致颤振稳定性十分敏感。所以确定颤振临界风速来判断桥梁的颤振稳定性是大跨径多塔斜拉桥设计的关键问题。本文将研究三塔斜拉桥的自振特性，并分析斜拉索的局部振动对其动力特性的影响；研究三塔斜拉桥的颤振特性，确定颤振临界风速；讨论斜拉索局部振动对颤振特性的影响。　　采用三维空间有限元法对三塔斜拉桥进行自振特性分析，提取模态分析结果。建立能够反映斜拉索局部振动的模型，进行模态分析，与之前的结果对比，分析索的局部振动对自振特性的影响。　　对于三塔斜拉桥的颤振分析，本文采用全模态的分析方法。首先采用Scanlan的自激气动力模型确定梁和索的气动力，并将其转化为矩阵的表达形式。将有限元软件（ANSYS）的刚度矩阵单元和阻尼矩阵单元添加到相应的梁单元和索单元上，与结构本身的刚度矩阵和阻尼矩阵相叠加，构成系统（气动力和结构组成）的整体刚度矩阵和阻尼矩阵，并通过有限元的带阻尼的求解器进行模态分析。为了方便进行不同风速下的模态分析，采用命令流编程功能，并通过宏调用这些程序进行分析，从而得到不同风速下结构的振型和频率，并绘制阻尼比随风速变化的曲线。在求零阻尼比对应的风速时采用插值的方法逐渐逼近，从而得到颤振模态和颤振临界风速。　　本文以某大跨径三塔斜拉桥为实例，建立三维有限元模型，对无阻尼和有阻尼两种情况进行了模态分析，并提取了前20阶模态的频率。之后用多链杆模型模拟斜拉索，计入索的局部振动，进行模态分析。计算结果表明索的局部振动对结构的自振特性有明显的影响，对高阶模态的影响要比低阶模态大，在竖弯、侧弯和扭转三种模态中，对扭转模态的影响较大，达到4％左右。对于颤振分析，成功提取了几阶模态在不同风速下的频率和阻尼，并绘制了阻尼比随风速变化的曲线，用插值方法进行迭代计算得到了颤振临界风速和颤振形态。　　研究表明，采用本文的方法可以利用通用有限元软件完成对三塔斜拉桥的三维颤振分析。索的局部振动会对桥梁结构的固有模态产生一定影响，特别是对可能发生颤振的扭转模态，可见索的局部振动也会影响结构的颤振特性。
作者：	王雅琪
专业：	公路桥梁与渡河工程
导师：	杨德灿
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文