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原文传递大跨度桥梁柔细构件风（雨）作用及其振动控制研究

论文题名：	大跨度桥梁柔细构件风（雨）作用及其振动控制研究
关键词：	大跨度桥梁;柔细构件;风雨耦合;振动控制
摘要：	随着桥梁设计理论与施工技术的不断进步以及新型建筑材料的应用，现代桥梁结构正朝着大跨、轻质的方向发展，其主梁及柔细构件的风致振动问题愈加突出。与此同时，大风一般伴随着降雨，与单纯风作用相比，风雨耦合作用对结构可能造成不可忽视的影响。然而，由于涉及到风雨结构三相流复杂耦合效应，目前风雨耦合作用对结构的影响研究较少。　　本文围绕风雨耦合作用以及典型桥梁柔细构件的振动控制方法开展研究。在对国内外研究与应用现状进行综合评述分析的基础上，针对上述问题进行了深入研究，具体的研究内容和取得的成果包括：　　(1)归纳总结了降雨强度、雨滴直径分布以及雨滴终点速度在内的自然界降雨特征参数。分别从降雨引起空气密度改变、雨滴冲击力及雨滴附加雨膜等角度研究了风雨耦合对主梁的作用效应。分析表明:风雨耦合对结构的水平力主要体现为雨滴水平冲击力，对竖向力表现为降雨竖向冲击力及附加积水的重量，而降雨引起的空气密度改变可以忽略。对某接近实际桥梁主梁断面尺寸的双面排水矩形主梁断面风雨作用荷载进行了分析，在10m/s～20m/s风速下，强降雨下的冲击力荷载可以使得风雨耦合对主梁断面的阻力值相比单纯风作用下的气动阻力增加10％左右，但在高风速下其影响减小。通过降雨条件下的主梁作功分析得知降雨的附加作用力有利于减轻结构自身的风致振动响应。　　(2)采用了基于雨滴直径等效的雨滴冲击力简化计算方法。对比等效后的雨滴冲击力和理论计算结果表明即使雨强达到超强暴雨时(1000mm/h)，竖向和水平冲击力误差仅分别为+8％和-4％，估算精度很高。基于这一等效方法可以将不同雨强下的复杂雨滴谱分布用统一等效雨滴直径来描述，可以适用于对降雨作用的快速分析。　　(3)针对已有的风雨耦合作用雨强相似关系的缺点，从降雨冲击、积水厚度以及质量和外形等方面建立了相应的相似原则并推导了近似的适用于主梁断面的雨强相似关系，为风雨耦合试验奠定了试验基础。　　(4)在湖南大学HD-2风洞射流段建立了风雨耦合作用试验平台，依据此试验平台，进行了几种典型桥梁断面形式下的风雨耦合作用试验，得到了降雨对主梁静三分力、涡激振动、颤振三类风致静动力响应的影响规律。试验结果表明:降雨冲击作用和表面积水是影响结构静动力响应的关键因素，其冲击力实测值与理论分析结果比较接近，验证了雨滴冲击力计算模型的正确性。降雨条件下结构总阻尼轻微增大，其有利于减小涡振响应，但对颤振稳定性影响可以忽略不计。　　(5)针对大跨度钢拱桥柔细钝体截面吊杆易发生的风致涡振和驰振，研制了一种抑制吊杆振动的新型悬臂梁摆式电涡流调谐质量阻尼器，其突出特征是采用悬臂梁作为弹性元件，采用无接触的电涡流产生部件作为阻尼元件，通过限制梁根部的应力可保证其疲劳性能。介绍了调谐质量阻尼器(TMD)的减振原理及参数优化方法，研究重点在于单TMD分为便于安装的质量较轻的多TMD后的鲁棒性分析以及子TMD质量块振幅估算，为弹性元件的疲劳设计提供了设计参数。　　(6)进行了厦深铁路拱桥实桥吊杆的电涡流调谐质量阻尼器的减振试验。现场实测结果表明:安装TMD后吊杆一阶振动模态阻尼比达到约3％，是同类结构的3倍以上。此外，采用全结构整体计算模型得到的箱形吊杆振动频率要比基于单吊杆模型得到的计算值更为精确，更接近吊杆振动频率实测值。　　(7)针对大跨度悬索桥骑跨式多索股柔细吊索的复杂多变风致振动问题，提出运用分隔器联合索端阻尼器的减振方法，并阐述了其减振机理和参数优化方法。通过吊索的完全气动弹性模型试验、阻尼器振动台试验、数值分析和现场实测等手段将其成功应用于实桥，从而验证了方法的有效性。
作者：	雷旭
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	陈政清
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文