斜拉桥风振响应时域分析及静风稳定性研究

【摘要】：大跨度桥梁抗风响应研究的目的主要是为了确保结构的气动稳定性和静风稳定性以及将结构抖振响应的振幅限制在允许范围内，以保证结构使用上的安全性和舒适性。 尽管目前已对大跨度斜拉桥的抗风问题进行了大量研究，但仍存在诸多不足。如对大跨度斜拉桥时域内的风振响应分析仍需进一步深入和完善，表现在尚未考虑桥塔风效应的影响、响应结果的统计评价方法需要改进、对风振响应结果的参数研究尚不够充分；对大跨度斜拉桥的静风稳定问题也不够重视等。 本文的内容是通过对大跨度桥梁桥面风速场的模拟方法以及时域内大跨度斜拉桥的风振响应分析理论进行研究，提出了考虑桥塔风效应的大跨度桥梁桥面风速场的模拟方法，进一步完善了大跨度斜拉桥时域内的风振响应分析方法，并对响应结果的评价提出了颤抖振响应统一评价指标。此外，将大跨度桥梁静风稳定分析纳入桥梁抗风研究体系中，针对大跨度桥梁存在静风失稳的可能性，通过引用非线性静风稳定分析理论，建立了大跨度斜拉桥非线性静风稳定分析的增量双重迭代搜索法。在此基础上，本文编制和调试了一个较为系统和完整的大跨度桥梁抗风响应分析的三维有限元程序，在程序的分析功能和可拓展性方面都有了较大改进和加强。 香港汀九大桥为一座三塔四跨四索面双桥面的大跨度斜拉桥，结构形式新颖独特。本文以汀九大桥为工程背景，利用所开发的抗风响应分析程序对其进行了较为详尽的时域内的风振响应分析以及非线性静风稳定性研究，重点考察了结构非线性、抖振力非线性、桥塔风效应对汀九大桥抖振响应结果的影响以及均匀流与紊流作用下汀九大桥气动稳定性的差异，对汀九大桥非线性静风失稳的全过程力学行为和静风失稳机理以及发生静风失稳的可能性进行了深入研究，揭示了汀九大桥静风失稳过程中的一些特殊物理现象。 研究表明：①对于汀九桥同类的大跨度斜拉桥，结构非线性和自激力的影响是不可忽视的，桥塔风效应仅在对塔根附近截面进行细部分析时方有必要考虑，而忽略抖振力非线性影响则是偏于安全的；②紊流场中，汀九桥具有良好的气动稳定性；③大跨度斜拉桥的静风失稳是由静风荷载、结构刚度以及结构扭转变形之间相互激励的恶性循环机制导致结构部分区域出现弱化所致，其失稳形态主要表现为空间弯扭耦合失稳，主梁断面的升力系数曲线和扭矩系数曲线则是决定桥梁静风失稳过程的关键因素；④汀九大桥风致稳定性问题主要是气动稳定性问题。