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原文传递基于ANSYS的三塔悬索桥抖振时域响应非线性分析

论文题名：	基于ANSYS的三塔悬索桥抖振时域响应非线性分析
关键词：	三塔悬索桥;动力特性;风场模拟;抖振响应;时域分析;ANSYS有限元软件
摘要：	对于大跨度缆索承重桥梁而言，随着桥跨不断增加，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重要问题之一。　　本文以在建的主跨为2×1080m泰州大桥为背景，针对该三塔悬索的结构特点，利用近年来润扬、苏通等几座大桥强台风期间的健康监测数据和现场补充实测数据，采用最小二乘法拟合了华东风谱模型，并据此模拟了泰州大桥的三维脉动风场。在此基础上建立了基于ANSYS的大跨度三塔悬索桥时域抖振响应分析方法，并进行泰州大桥抖振响应分析，重点分析了其中的关键影响因素并取得了有益的结论。研究成果可为大跨度三塔悬索桥的抗风设计及研究提供参考。论文主要进行了以下几方面的研究工作：　　(1)基于ANSYS建立了大桥有限元模型，并采用子空间迭代法分析结构动力特性。通过改变加劲梁恒载集度、主缆矢跨比、中央扣设置、中塔纵向刚度及土-桩-结构作用、桥塔型式等参数研究了其对该桥动力特性的影响。研究结果表明：增加加劲梁的恒载集度并不能改善三塔悬索桥的动力性能；矢跨比减小，主梁的侧弯频率得到增加；中央扣的设置有利于改善三塔悬索桥的动力特性；A形方案桥的动力特性优于人字形的方案桥；　　(2)采用非线性最小二乘法，对现场实测的强(台)风紊流功率谱密度函数进行拟合，获得一条符合华东沿海地区风特性的拟合谱曲线，分别以拟合谱和规范谱为目标谱，运用谐波合成法，基于Matlab软件编写了风场模拟程序，获得了泰州大桥桥址区三维脉动风场，并从谱密度和相关性两方面检验了风场的准确性。其中针对桥塔的风场模拟，考虑了相位角对互谱密度矩阵的影响。　　(3)利用ANSYS进行了大跨度桥梁非线性抖振时域分析，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。其中包括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。　　(4)采用Matlab和ANSYS进行了相应的大跨度桥梁非线性时域抖振响应分析。分析结果表明：考虑Liepmann气动导纳函数的抖振响应比不考虑气动导纳的计算结果要小很多，考虑Davenport气动导纳函数的抖振响应和不考虑气动导纳的计算结果比较接近；气动自激力在该风速下，对桥梁结构的抖振位移响应影响不明显；主塔风荷载对主梁的振动影响不大；主梁的振动主要取决于自身脉动风场的作用；采用规范谱是偏于安全的，可用于指导工程设计实践；随着空间相关系数增加，竖向抖振响应RMS变大，侧向与扭转抖振响应RMS变小，且紊流空间相关系数对桥梁的抖振响应具有重要影响。研究结果可为大跨度三塔悬索桥的抗风设计及研究提供参考。
作者：	邓稳平
专业：	土木工程；桥梁与隧道工程
导师：	丁汉山;王浩
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文