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原文传递大跨度中承式拱桥风致振动研究

论文题名：	大跨度中承式拱桥风致振动研究
关键词：	中承式拱桥;主拱风荷载;静风稳定;频域抖振;时域抖振;涡激振动;气动弹性模型试验
摘要：	大跨度中承式拱桥属于柔性结构，在风振作用下很容易发生静风失稳、抖振和涡激振动等风致响应。与大跨度的悬索桥、斜拉桥等桥型不同，大跨度中承式拱桥属于三维受力结构体系，在风致振动时需要考虑主梁与主拱的协同作用。主拱风荷载比较复杂，需要考虑风速沿高度变化、荷载空间相关性以及主拱之间相互干扰等因素。并且，钝体截面的主拱在低风速下容易产生涡激振动。因此，根据大跨度中承式拱桥的上述特点，针对大跨度中承式拱桥静风稳定性、抖振以及涡激振动等方面进行了较为深入的研究。本文的工作主要有以下几个方面：（1）系统地分析了单拱及双拱相互干扰下的静风荷载情况。以重庆菜园坝长江大桥为例，通过单拱与双拱节段模型风洞试验与流体力学数值模拟，讨论了不同攻角、不同间距下单拱与双拱相互干扰下静力三分力系数的变化规律。分析表明，单拱阻力系数变异性较小，升力系数与力矩系数变异系数较大。双拱的静力三分力系数、变异性以及受湍流度的影响等均与两拱间距宽度比及竖向相对位移有关。（2）发展了大跨度中承式拱桥在静风荷载作用下的全过程位移响应分析方法，深入分析了静风作用下大跨度中承式拱桥的屈服失稳机理。分析表明，考虑静力三分力非线性使得极限风速减小，同一风速下计算的内力和位移偏大。静风初始攻角与材料的屈服强度对静风承载力影响较大。不同施工态的极限风速都由施工塔架的稳定性决定。（3）提出了在湍流中两榀拱相互干扰下风荷载功率谱的求解方法。通过在湍流中的双拱测压节段模型试验，深入探索了由于两榀拱之间干扰而导致两拱抖振力的变化规律。以单拱脉动风速功率谱为参照，根据均方值等效的原则确定在湍流中两拱的脉动风速功率谱。实践表明，上述求解是比较准确的。（4）推导了用于大跨度中承式拱桥抖振分析的运动方程。该方程考虑了风速随高度变化、主梁与主拱耦合振动以及多模态和模态耦合效应。分别采用SRSS法、CQC法以及虚拟激励法对重庆菜园坝长江大桥进行抖振分析。分析表明，SRSS法误差较大，高阶模态对结果有显著影响，水平风速谱对抖振起到主要作用，交叉风速谱在计算中可以不计，由于受干扰影响，后拱的荷载功率谱及响应结果都明显增大。（5）模拟了大跨度中承式拱桥的三维风场，实现了大跨度中承式拱桥的时域分析。利用谐波合成法，考虑两拱抖振力功率谱相互干扰、空间相关性等因素实现了风场模拟。对随机数生成及时间间隔取值问题给出了建议。采用FFT变换、编程优化以及功率谱插值等技术，大大提高了模拟的效率。时域分析的结果与试验吻合较好，几何非线性对大跨度中承式拱桥抖振响应影响较大。（6）进行了单拱与双拱干扰的涡激振动节段模型试验。从单拱的试验可见，阻尼比越小，响应幅值越大，共振锁定区域越大。当阻尼增大到一定程度时，结构不出现涡激振动。从双拱的试验可见，前面放置拱进行遮挡后，后拱的振幅大大减小，呈节拍起伏变化，锁定区域较单拱小得多。（7）推导了考虑风速随高度变化的三维梁单元的涡激振动方程。提出了两种涡激振动激共振锁定区的稳态解的求解方法：Wilson- 法（结合Newton-Raphson迭代法）以及能量法。利用上述方法对简支梁和重庆菜园坝长江大桥的成桥态与两种施工态进行了涡激振动分析，结果与试验较吻合。（8）提出了投影变换的空间拱气动弹性模型设计方法，分析了不同横撑布置和刚度对双拱模型设计的影响。模态测试表明，本文提出的方法是有效的。针对重庆菜园坝长江大桥进行了全桥气动弹性模型风洞试验，试验结果验证了理论分析的正确性。
作者：	晏致涛
专业：	结构工程
导师：	李正良
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文