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原文传递大跨度管道悬索桥覆冰特性及抗风性能研究

论文题名：	大跨度管道悬索桥覆冰特性及抗风性能研究
关键词：	管道悬索桥;气动稳定性;覆冰试验;风洞试验;静风分析;有限元分析
摘要：	管道悬索桥为承载管道（输送石油、天然气或水）跨越峡谷、河流等障碍的悬索结构。管道悬索桥具有窄、柔、轻、钝等特点，抗风问题突出。在雾凇和雨凇易发地区，管道桥可能遭遇覆冰灾害，引发其气动外形明显改变以致抗风性能下降。本文首先回顾了管道悬索桥的发展过程，系统地梳理了国内外近20年来管道悬索桥抗风研究的进展，指出目前存在的问题。进而针对管道悬索桥覆冰特征、覆冰圆柱气动特性和管道悬索桥抗风性能三个问题，开展全面深入研究。主要研究内容和结论总结如下: 　　(1)在冷冻降雨覆冰试验室（降雨量45mm/h、环境温度-7℃、环境湿度80％）进行了管道桥主要构件（管道、风索拉索以及桁架构件）及加劲梁节段模型的覆冰试验。研究了管道直径、型钢尺寸、降雨时间、倾角等对管道、风索拉索、型钢等覆冰的影响。研究发现，管道覆冰形状和尺寸与直径和降雨时间有关，抗风拉索和型钢覆冰形状和尺寸与倾角有关。基于试验结果提炼了大直径管道和管道桥覆冰模型，该覆冰模型将为大直径管道和管道桥覆冰后的气动性能研究提供基础。　　(2)基于测压和测力风洞试验，调查了有限长覆冰圆柱流场特征，研究了高雷诺数下覆冰对圆柱气动力系数的影响规律，且分析了雷诺数、覆冰形状、风攻角、湍流度和表面粗糙度的影响。研究发现，覆冰柱体气动力系数具有明显的雷诺数效应，表面粗糙度和紊流度对覆冰柱体阻力系数雷诺数效应的影响与对未覆冰柱体的影响类似。圆周非均匀覆冰柱体具有明显的升力和扭矩，表面粗糙度和紊流可以减小其升力。覆冰或未覆冰有限长圆柱流场均存在明显的三维效应，表面粗糙度和紊流度可削弱其三维效应。国际标准规范ISO12494将圆柱釉冰视为圆周均匀覆冰的简化过于粗糙，圆柱抗风设计中应考虑冰形、粗糙度和紊流度的影响。　　(3)基于节段模型测力和自由振动测振试验，分析总结了断面设计参数、雷诺数和覆冰对管道悬索桥加劲梁静气动特性的影响，以及封闭篦子板、扭弯比和覆冰对管道悬索桥气动稳定性的影响。以三种典型管道悬索桥加劲梁断面为研究对象，全面分析了篦子板透孔率、管道间距、管道直径、管道数量、表面粗糙度、雷诺数、覆冰等级和覆冰形状对静三分力系数和/或颤振导数的影响。研究发现，优化篦子板透孔率、管道间距可减小断面静风荷载，静三分力系数随管道数量增加而增加，管道直径和表面粗糙度对静三分力系数影响明显;加劲梁静三分力系数具有一定的雷诺数效应，封闭篦子板会降低断面的气动稳定性。此外，研究发现覆冰后断面迎风面积增加和断面不对称性增强，可能导致静风荷载增大，同类型加劲梁管道悬索桥抗风设计时应考虑覆冰的影响。　　(4)基于某管道悬索桥1∶25全桥气弹模型试验，全面研究了管道直径、管道覆冰形状、流场特性、管道数量、初始风攻角、风索初张拉力、风索拉索倾角以及断索对桥梁静风和抖振响应的影响，着重分析了加劲梁位移和风索索力变化。分别推导了基于激光位移计和高速摄像机测量三自由度运动位移的修正公式，分析了传统公式和修正公式的计算误差。结果表明，管道悬索桥加劲梁断面较钝，侧向静风响应突出;扭转、侧向和竖向抖振位移均十分明显，因此应高度重视由抖振引起的风致疲劳问题;静风和抖振响应受初始风攻角、管道直径、紊流度、管道数量和覆冰影响明显。优化风索初张拉力和风索拉索倾角可以增加桥梁刚度，从而大幅减小其静风和抖振响应。少数吊索断裂对管道悬索桥气动特性影响较小。此外，风索索力与加劲梁侧向位移密切相关，且具有一定的非高斯特性。　　(5)基于某管道悬索桥有限元模型，系统开展了三维非线性静风和抖振分析。以典型工况试验结果为参照，验证了有限元分析的准确性。全面分析了共轭索、断面设计参数、管道表面粗糙度、覆冰以及雷诺数等对管道悬索桥静风响应的影响，以及覆冰、静风荷载及自激力对管道悬索桥抖振响应的影响。进行了详细的参数分析，从中得到了一些结论，研究结论可为同类型桥梁抗风设计提供参考。
作者：	余海燕
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	许福友
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021