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原文传递 5000米级马鞍面混合空间缆索悬索桥力学特性

论文题名：	5000米级马鞍面混合空间缆索悬索桥力学特性
关键词：	混合空间缆索悬索桥;马鞍曲面;几何构型;力学特性;抗风稳定性
摘要：	随着悬索桥跨径的不断增大，悬索桥结构趋于轻柔，其扭转频率和竖弯频率比不断下降，超大跨径海峡悬索桥的抗风稳定性问题日益突出。本文以5000米级琼州海峡大桥为工程背景，在平行钢丝缆索悬索桥的基础上，增加碳纤维马鞍面空间缆索，提出一种超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥的新型结构形式，平行钢丝缆索承担竖向荷载，碳纤维马鞍面空间缆索提高超大跨径海峡悬索桥的空间刚度，抗侧刚度和抗扭刚度，提高颤振临界风速。本文建立5000米级琼州海峡混合空间缆索悬索桥的Midas和ANSYS有限元软件分析模型，进行动力模态分析和颤振抗风稳定性分析，证实马鞍面混合空间缆索悬索桥具有良好的抗风稳定性。主要研究工作如下：　　（1）利用马鞍曲面的直纹性，进行马鞍面混合空间缆索悬索桥的几何构型研究，建立500米跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥ANSYS有限元分析模型，进行竖向位移响应、动力模态特性和抗风稳定性的分析研究。研究表明：相比于平行钢丝缆索悬索桥，马鞍面混合空间缆索悬索桥的竖向刚度略有增加，水平向的抗侧刚度增加较大，其抗扭刚度和扭弯频率比大幅度提高，颤振抗风稳定性大幅度提高。　　（2）建立单跨5000米级超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥的ANSYS有限元模型，开展位移响应、动力模态特性和抗风稳定性的对比分析研究，进行拱形中央扣、桥塔类型，钢结构曲梁间距等影响参数分析。对比研究表明：5000米级超大跨径平行钢丝缆索悬索桥的一阶正对称扭转频率为0.1115Hz（第5阶），扭弯频率比为1.84，颤振临界风速仅为26.01m/s；5000米级超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥的一阶正对称扭转频率为0.3138Hz（第21阶），扭弯频率比为4.80，颤振临界风速高达86.05m/s。马鞍面混合空间缆索悬索桥大幅度提高了扭转频率和扭弯频率比，颤振临界风速大幅度提高。　　（3）琼州海峡三跨5000米级超大跨径马鞍面混合空间缆索悬索桥分为三个施工阶段，即平行钢丝缆索悬索桥阶段、马鞍面混合空间缆索悬索桥阶段和启用临时抗风缆索阶段，分别建立三个成桥阶段的ANSYS有限元模型，进行颤振抗风稳定性的对比分析研究。分析表明：在5000米级平行钢丝缆索悬索桥阶段，满足竖向位移刚度和竖向承载力要求，但其颤振临界风速仅为25.56m/s，考虑百年一遇17级强台风基本风速61m/s，高度修正系数1.16、脉动风振系数1.18和安全系数1.2后，琼州海峡的校验风速[Vcr]为100.20m/s，平行钢丝缆索悬索桥抗风稳定性不满足要求；在5000米级马鞍面混合空间缆索悬索桥阶段，抗扭刚度和扭弯频率比大幅度提高，其颤振临界风速达到76.23m/s，可满足14级台风下结构抗风稳定性的要求；获悉14级以上超强台风天气预报后，封闭航道交通，启用临时抗风缆索，其颤振临界风速高达104.65m/s，可以确保琼州海峡5000米马鞍面混合空间缆索悬索桥抵御百年一遇的17级超强台风的设计要求，从根本上解决了5000米级琼州海峡大桥的抗风稳定性问题。
作者：	秦韬睿
专业：	建筑与土木工程
导师：	徐文平;张宇峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021