大跨度中承式拱橋風(fēng)致振動(dòng)研究.pdf

1、大跨度中承式拱橋?qū)儆谌嵝越Y(jié)構(gòu)，在風(fēng)振作用下很容易發(fā)生靜風(fēng)失穩(wěn)、抖振和渦激振動(dòng)等風(fēng)致響應(yīng)。與大跨度的懸索橋、斜拉橋等橋型不同，大跨度中承式拱橋?qū)儆谌S受力結(jié)構(gòu)體系，在風(fēng)致振動(dòng)時(shí)需要考慮主梁與主拱的協(xié)同作用。主拱風(fēng)荷載比較復(fù)雜，需要考慮風(fēng)速沿高度變化、荷載空間相關(guān)性以及主拱之間相互干擾等因素。并且，鈍體截面的主拱在低風(fēng)速下容易產(chǎn)生渦激振動(dòng)。因此，根據(jù)大跨度中承式拱橋的上述特點(diǎn)，針對(duì)大跨度中承式拱橋靜風(fēng)穩(wěn)定性、抖振以及渦激振動(dòng)等方面進(jìn)行了較為

2、深入的研究。本文的工作主要有以下幾個(gè)方面： （1）系統(tǒng)地分析了單拱及雙拱相互干擾下的靜風(fēng)荷載情況。以重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋?yàn)槔?，通過(guò)單拱與雙拱節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)與流體力學(xué)數(shù)值模擬，討論了不同攻角、不同間距下單拱與雙拱相互干擾下靜力三分力系數(shù)的變化規(guī)律。分析表明，單拱阻力系數(shù)變異性較小，升力系數(shù)與力矩系數(shù)變異系數(shù)較大。雙拱的靜力三分力系數(shù)、變異性以及受湍流度的影響等均與兩拱間距寬度比及豎向相對(duì)位移有關(guān)。 （2）發(fā)展了大跨度中承式

3、拱橋在靜風(fēng)荷載作用下的全過(guò)程位移響應(yīng)分析方法，深入分析了靜風(fēng)作用下大跨度中承式拱橋的屈服失穩(wěn)機(jī)理。分析表明，考慮靜力三分力非線性使得極限風(fēng)速減小，同一風(fēng)速下計(jì)算的內(nèi)力和位移偏大。靜風(fēng)初始攻角與材料的屈服強(qiáng)度對(duì)靜風(fēng)承載力影響較大。不同施工態(tài)的極限風(fēng)速都由施工塔架的穩(wěn)定性決定。 （3）提出了在湍流中兩榀拱相互干擾下風(fēng)荷載功率譜的求解方法。通過(guò)在湍流中的雙拱測(cè)壓節(jié)段模型試驗(yàn)，深入探索了由于兩榀拱之間干擾而導(dǎo)致兩拱抖振力的變化規(guī)律。以單

4、拱脈動(dòng)風(fēng)速功率譜為參照，根據(jù)均方值等效的原則確定在湍流中兩拱的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜。實(shí)踐表明，上述求解是比較準(zhǔn)確的。 （4）推導(dǎo)了用于大跨度中承式拱橋抖振分析的運(yùn)動(dòng)方程。該方程考慮了風(fēng)速隨高度變化、主梁與主拱耦合振動(dòng)以及多模態(tài)和模態(tài)耦合效應(yīng)。分別采用SRSS法、CQC法以及虛擬激勵(lì)法對(duì)重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋進(jìn)行抖振分析。分析表明，SRSS法誤差較大，高階模態(tài)對(duì)結(jié)果有顯著影響，水平風(fēng)速譜對(duì)抖振起到主要作用，交叉風(fēng)速譜在計(jì)算中可以不計(jì)，由于受

5、干擾影響，后拱的荷載功率譜及響應(yīng)結(jié)果都明顯增大。 （5）模擬了大跨度中承式拱橋的三維風(fēng)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了大跨度中承式拱橋的時(shí)域分析。利用諧波合成法，考慮兩拱抖振力功率譜相互干擾、空間相關(guān)性等因素實(shí)現(xiàn)了風(fēng)場(chǎng)模擬。對(duì)隨機(jī)數(shù)生成及時(shí)間間隔取值問(wèn)題給出了建議。采用FFT變換、編程優(yōu)化以及功率譜插值等技術(shù)，大大提高了模擬的效率。時(shí)域分析的結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好，幾何非線性對(duì)大跨度中承式拱橋抖振響應(yīng)影響較大。 （6）進(jìn)行了單拱與雙拱干擾的渦激振

6、動(dòng)節(jié)段模型試驗(yàn)。從單拱的試驗(yàn)可見(jiàn)，阻尼比越小，響應(yīng)幅值越大，共振鎖定區(qū)域越大。當(dāng)阻尼增大到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)渦激振動(dòng)。從雙拱的試驗(yàn)可見(jiàn)，前面放置拱進(jìn)行遮擋后，后拱的振幅大大減小，呈節(jié)拍起伏變化，鎖定區(qū)域較單拱小得多。 （7）推導(dǎo)了考慮風(fēng)速隨高度變化的三維梁?jiǎn)卧臏u激振動(dòng)方程。提出了兩種渦激振動(dòng)激共振鎖定區(qū)的穩(wěn)態(tài)解的求解方法：Wilson- 法（結(jié)合Newton-Raphson迭代法）以及能量法。利用上述方法對(duì)簡(jiǎn)支梁和重慶菜園