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U形峡谷风参数空间分布特征及其对大跨径桥梁抖振响应影响研究
| 论文题名： | U形峡谷风参数空间分布特征及其对大跨径桥梁抖振响应影响研究 |
| 关键词： | 大跨径桥梁;抗风设计;U形峡谷;风参数;空间分布;抖振响应 |
| 摘要： | 从 21 世纪初开始，山区峡谷大跨径桥梁的建设与日俱增。同时，峡谷中强烈的紊流是诱发桥梁抖振的充分条件。目前，国内外学者针对峡谷风场特征及其对桥梁抖振影响的研究，取得了丰硕的成果。但峡谷地区风参数分布规律尚不明确，抗风规范中风参数难以适用于山区峡谷桥梁抗风设计。 据此，本文开展的主要工作有： (1)对 U 形峡谷开展实测研究。研究发现：峡谷内风速剖面严重偏离规范的幂指数律或对数律，平均风速沿主梁展向呈均匀分布和抛物线分布，实测风攻角远超规范推荐的取值范围，阵风因子和紊流强度呈线性关系，脉动风卓越频率随高度增加而增加，实测功率谱与规范谱模型差距显著。研究定义了描述风向随高度变化的风向偏转率的概念，提出了更接近实测谱的3参数功率谱模型，明确了其3个参数的概率分布及与高度的关系，验证了Hui模型的相干函数的适用性，提出了桥址处风观测塔合理高度的建议。 (2)对 U 形峡谷进行模型数值模拟和风洞试验，研究了来流特征及峡谷特征对风参数的影响。结果表明：来流风速增加，风参数空间分布趋于稳定；当来流风向与峡谷走向存在夹角时，相同位置处风速减小，风攻角和紊流强度增加，来流风向对风攻角和风偏角的影响最明显；峡谷内粗糙度分布模式对风速影响不明显；宽深比减小，风速加速效应、风攻角和紊流强度均减小。研究给出了模拟峡谷内粗糙度的方法，探明了峡谷宽深比与功率谱模型系数的关系，建立了来流特征对风参数影响程度的评价模型。 (3)基于Navier-Stokes方程，分析了Couette流动和Poiseuille流动的特征，发现可从压力梯度、壁面摩擦和峡谷特征尺寸等角度阐释峡谷中的风速分布机理；推导并验证了U形峡谷中风速的空间抛物面模型；给出了风速展向分布的折线函数。 (4)以来流风速分布模式、来流风速大小及桥梁位置为切入点，分析了 U 形峡谷中大跨径桥梁的抖振响应。研究发现：采用均匀分布来流，将高估抖振响应；抖振位移响应与来流风速呈非线性关系；不同位置处，斜拉桥抖振位移小于规范推荐值；相对高度增加，减小了悬索桥的抖振响应。研究给出了在开展峡谷中桥梁抖振响应研究时选取合理风参数的建议。 |
| 作者： | 王俊 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 李加武;王峰 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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