大跨度管道悬索桥的风致响应研究

【摘要】： 悬索桥结构以其外形美观、跨越能力强、经济指标良好和设计施工成熟等优点,在国内外油气管道桥建设中被大量采用。与普通悬索桥相比,管道悬索桥刚度更小、风振问题更突出。本文以某油气管道悬索桥方案为工程背景,对其动力特性、静风响应、颤振稳定性、抖振响应等方面展开研究,主要工作及结论如下： (1)运用索单元初应变迭代方法得到合理成桥线形,对其进行了动力特性分析,研究了结构参数对管道悬索桥自振特性的影响。结果表明：管道悬索桥振型密集,振动特性复杂；扭弯比低,侧向刚度较弱,低阶振型均是以加劲梁振动为主的振型；设置抗风索能显著提高结构侧向刚度,增加抗风索的预拉力可提高结构侧弯和扭转刚度,减小抗风索倾角可以提高结构竖弯刚度；设置共轭索对高阶振动抑制作用较大。 (2)通过节段模型测力实验得到静力三分力系数,分析了篦子板对三分力的影响,运用增量与内外两重迭代法进行了静风响应分析。结果表明：管道悬索桥的静风失稳过程是静风荷载非线性与结构非线性相互影响的结果；风荷载初始攻角增大,静风稳定性降低；设置抗风索,静风失稳风速可提高20%以上；初始攻角,附加攻角,缆索系统风荷载,抗风索对静风响应均存在影响。 (3)通过节段模型测振实验,得到不同攻角下的颤振临界风速,对颤振稳定性进行评价；运用最小二乘法识别了均匀流场中模型的颤振导数,为颤抖振分析提供气动自激力参数。 (4)运用谐波合成法模拟了全桥的脉动风场,运用Davenport抖振力理论建立了全桥抖振力分析模型,通过ANSYS中的Matrix27单元实现了对自激力的气动刚度和气动阻尼的模拟,考虑气动和几何非线性,运用瞬态动力分析进行了抖振响应时域分析。