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原文传递斜拉索在近海风雨环境下振动的疲劳研究

论文题名：	斜拉索在近海风雨环境下振动的疲劳研究
关键词：	斜拉桥梁;风力荷载;桥梁振东;疲劳损伤
摘要：	随着斜拉桥的快速发展，在其数量增加的同时，跨度也越来越大并且出现了更多的跨海大桥。斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，因其柔性大、质量轻、阻尼小，极易在风荷载作用下发生大幅振动，引起疲劳损伤，降低其使用寿命。本文主要研究了斜拉索在近海环境下的疲劳损伤以及MR阻尼器对斜拉索减振控制作用。　　本研究主要内容包括：⑴使用谐波叠加法和线性滤波法来模拟空间点的脉动风速时程。模拟得到的顺风向和竖风向脉动风速时程曲线都具有较好的随机性，模拟功率谱与目标功率谱之间的偏差程度较小。谐波叠加法是基于目标随机过程的离散谱近似模拟，算法比较简单实用，当模拟点数较多时，利用Fourier算法，计算速度将得到提高。⑵采用时域分析方法，研究斜拉索在脉动风荷载抖振响应，并结合斜拉索的S-N曲线、Miner线性疲劳损伤准则和雨流计数法预测斜拉索的疲劳寿命。对影响斜拉索疲劳损伤的各项因素进行了计算分析，得出索直径、索长、阻尼比、倾角及外界风载激励与索疲劳寿命的关系。索径和索倾角越大寿命越短;随着阻尼比的增大，拉索的寿命随之增加;风速越大，拉索的寿命越短;拉索的拉索长度的变化对其疲劳寿命的影响显著。通过对斜拉索无量纲化分析，可得出拉索的阻尼比、索长和外界风速是影响斜拉索疲劳寿命的重要因素。进而对斜拉索疲劳可靠度指标进行了测算。其值要远小于目标可靠度指标，因此斜拉索在极端灾变气候环境下的可靠度尚需有待提高。⑶通过各国规范的脉动风速功率谱的比较，考虑了平均风沿着高度的变化以及脉动风湍流强度、湍流积分尺度变化对斜拉索疲劳寿命的的影响，得出不同规范风速谱对斜拉索的疲劳寿命有一定的影响，在一些跨国工程中需考虑不同国家规范的风速谱的影响。随着地面粗糙度、模拟点离地高度的不断增加，斜拉索的寿命在不断变小。⑷应用MR阻尼器，首先研究了在其被动控制下阻尼器的型号、安装位置和电压对拉索的疲劳寿命的影响。斜拉索的疲劳寿命随着阻尼器型号、安装位置、电压的升高而提高。阻尼器的型号越大，斜拉索的减振效果不一定越好，存在一最优的型号。阻尼器安装位置越高、电压越大，斜拉索的减振效果越好。其次研究了其半主动控制算法，得出基于位移和速度方向和基于最优控制力的半主动控制算法的减振效果非常理想，并且效果很稳定。当阻尼器的型号、安装位置和所施加的电压在一定范围变化时，斜拉索的寿命得到了有效的提高，保证了拉索在服务期限内稳定的工作性态。再次研究了阻尼器的疲劳损伤，通过分析可知，阻尼器钢材不会发生疲劳破坏。但是，在阻尼器的长期使用过程中，活塞处有可能会发生漏油现象，橡胶材料也会在阻尼器的出力作用下发生疲劳破坏。最后在工程实例中进行了斜拉索在有、无阻尼器控制的对比研究，验证了阻尼器控制的效果。⑸建立杭州湾跨海大桥南航道桥有限元模型，探究斜拉索在抖振作用下疲劳寿命，通过对编号Z15～Z20斜拉索的疲劳损伤分析可得在全桥状态下，桥塔和主梁在风荷载作用下的响应对斜拉索的寿命影响较大，同时证明拉索长度的是影响其疲劳寿命的关键因素。由算得的疲劳可靠度可知斜拉索在100年一遇的50m/s平均风速作用下会发生疲劳破坏，不具备足够的可靠度。
作者：	华纯武
专业：	土木工程；结构工程
导师：	邬喆华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文