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原文传递基于峡谷地形风场特性大跨度混凝土拱桥稳定性研究

论文题名：	基于峡谷地形风场特性大跨度混凝土拱桥稳定性研究
关键词：	大跨度混凝土拱桥;静风稳定性;峡谷地形;风场特性
摘要：	随着我国经济的飞速发展与科技的进步，实现区域协调发展已成为目前首要的任务，为满足我国西部山区交通建设的需要，跨越幽深峡谷的大跨度桥梁不断涌现。新型材料与先进施工工艺的出现，使大跨度桥梁朝着跨度大、质量轻、刚度小的方向发展，对风的敏感程度也逐渐增加，因此大跨度桥梁的风致稳定性问题越来越引起人们的重视。桥位风场特性是进行桥梁抗风设计的基本前提，而我国西部山区峡谷风环境非常复杂，现在对其了解和研究还较为肤浅，严重影响了桥梁的抗风设计精度和安全。本文以我国西部山区一跨峡谷拱桥桥位处风场为研究对象，运用CFD（Computational Fluid Dynamics）数值模拟技术对风场特性进行研究，得到了峡谷地形风场特性的空间分布特征及地形对风特性的影响机理。基于此，对该跨峡谷拱桥进行了风致稳定性研究。主要工作和成果如下：　　（1）运用Ansys Fluent仿真软件，对西部山区一跨峡谷拱桥桥址区风场特性进行CFD数值模拟研究。获得了桥位处平均风速、风攻角、风偏角、风速剖面和湍流强度的空间分布特征；分析了山区复杂峡谷地形对风场特性的影响机理，并引入风速放大系数，通过与相关理论公式计算结果进行对比研究，验证数值模拟的准确性。　　（2）针对复杂山区地形模型获取困难、精度不够等问题，详细的介绍了一种新的地形模型获取方法。该方法基于SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）数据，利用专业地形软件Global Mapper裁剪出研究区域的三维地形散点云图，并利用逆向工程软件Geomagic studio进行点云处理和曲面拟合，等比例还原了真实地形环境。该方法方便快捷，并且可以获得精度较高的地形模型，可为同类研究提供借鉴。针对峡谷桥址区缺少气象实测资料、计算域入口基本风速取值困难的问题，本文采用了“虚拟标准气象站法”，通过对附近区县基本风速与海拔高度的关系曲线进行拟合，得到了入口桥位高度的基本风速，并利用C语言程序编译UDF （Universal Disc Format）序列，直接导入Fluent中完成计算域入口风速剖面设置。　　（3）以刘家河大桥为工程背景，建立了全桥Midas/civil有限元模型；对刘家河大桥进行了特征值分析，获得了拱桥的自振频率与自振模态，基于此研究了拱桥的整体刚度与稳定性。　　（4）对静风荷载作用下，混凝土拱桥拱脚吊装态、最大悬臂态、单肋合拢态及单肋裸拱态四个典型施工阶段进行线性屈曲分析和静风响应分析。获得了各施工阶段结构的静风失稳模态与临界安全系数，研究了结构的静风失稳特性；获得了各施工阶段结构的位移、内力和应力的响应情况，结果显示，各施工阶段结构均产生了较大的横向位移，且超过了规范容许值，同时单肋合拢态结构的最大组合应力超过了混凝土的轴心抗压强度设计值，已不满足规范要求；从缆风索水平设置角度和初拉力两个方面，对拱桥施工期间缆风索的设置进行优化，优化后，各施工阶段结构的横向位移与最大组合应力均满足规范容许值，证明了研究方向的正确性。
作者：	李康
专业：	土木水利
导师：	杨世聪
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023