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原文传递基于SHMS的大跨度悬索桥风致抖振时域分析

论文题名：	基于SHMS的大跨度悬索桥风致抖振时域分析
关键词：	结构健康监测系统;悬索桥;风致振动;有限元分析;时域分析;最小二乘法;拟合谱
摘要：	对于大跨度缆索承重桥梁而言，随着桥跨的不断增加，结构刚度大幅下降，使得风致振动对其安全性的影响尤为重要。目前，通过对桥梁截面进行优化和提高结构刚度，已经基本可以避免大跨桥梁在设计使用期限内发生风致颤振，然而随着跨度及桥宽的不断增加，使得桥梁风致抖振问题变得日益突出，桥梁抖振分析研究也因此成为桥梁风工程领域的关键科学问题之一。另一方面，随着人们对结构安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注以及对结构健康监测领域研究工作的不断深入，国内外许多重要的大跨度桥梁都已建立或正在建立结构健康监测系统(SHMS)，以期对结构的力学行为和环境状态进行实时监测。这些SHMS中大都包含了风环境监测和结构振动监测子系统在内，因此为基于实测的大跨桥梁抖振响应研究提供了良好的平台。本文以“麦莎”台风和“卡努”台风作用下的润扬长江公路大桥南汊悬索桥(简称润扬悬索桥)为研究对象，紧紧围绕大跨度悬索桥SHMS和风致抖振响应这两大桥梁工程领域非常活跃的研究热点，利用SHMS中风速仪实时采集的数据，开展大跨度悬索桥桥址区实测近地风特性及其风场模拟、有限元建模策略及其动力特性、风致抖振非线性时域分析实用方法及其应用等研究，主要包括以下几个方面研究工作和成果： (1).基于SHMS深入研究了润扬悬索桥桥址区的强风特性。2005年8月与9月期间，台风“麦莎”和“卡努”分别袭击江苏，润扬悬索桥结构健康监测系统(SHMS)记录了经过桥址区的两个强风样本。通过对实测风速风向数据的分析，得到了平均风速和风向、湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率谱密度函数等强风特性，并对实测的脉动风谱离散数据进行了非线性最小二乘法拟合，得到了拟合自谱曲线及相应的拟合参数，为该桥的抗风研究提供基本性数据。 (2).基于桥址区实测强风特性，建立了润扬悬索桥桥址区的三维脉动风场。针对润扬悬索桥的结构形式和振动形态的特点，结合自然风的相关特性，给出了一种简化的三维脉动风场模拟方法。在此基础上运用谐波合成法和FFT技术，进行了润扬悬索桥桥址区三维脉动风场的模拟。其中模拟目标功率谱采用了上述两次台风实测的数据，运用非线性最小二乘法拟合得到的拟合谱。通过对模拟出的风速样本与目标值进行对比分析，验证了该风谱模拟方法的有效性和可靠性。 (3).在对现有大跨度桥梁抖振分析方法进行总结的基础上，开发了大跨度桥梁非线性抖振时域分析程序。介绍了大跨度桥梁非线性抖振时域分析中三种不同风荷载的分析处理方法。其中为了实现气动自激力的时域化，基于准定常气动力模型和非线性动力学理论，导出与其等价的12阶单元气动阻尼矩阵和气动刚度矩阵，在此基础上将ANSYS中自定义单元Matrix27的刚度或阻尼矩阵描述成风速和振动频率的函数，以模拟桥面单元气动阻尼矩阵和气动刚度矩阵。基于通用有限元分析软件ANSYS编制了相应的大跨度桥梁非线性时域抖振动力分析程序，实现了直接由三维脉动风速时程获得结构的非线性抖振时程响应。 (4).在上述研究基础上，进行了润扬悬索桥抖振时域响应特征及其关键影响因素研究。采用子空间迭代法分析了润扬悬索桥这一典型大跨柔性结构的动力特性，进而对其进行了非线性抖振时域分析，探讨了大跨度悬索桥抖振响应分析的关键影响因素。其中重点分析了主塔风效应以及主梁所受气动自激力对大桥关键截面抖振响应的影响。研究结果为其它同类型大跨缆索承重桥梁的抗风设计及研究工作提供了参考。
作者：	谢以顺
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	李爱群
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文