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大跨度斜拉桥颤抖振响应及静风稳定性分析

胡晓伦  
【摘要】:现代斜拉桥朝着超大跨度、极度柔性方向发展,非线性时域分析方法成为桥梁颤抖振精细化分析的必然选择和发展趋势。本文回顾了大跨度桥梁颤抖振研究的现状,针对时域分析中存在的问题和不足,展开了进一步的研究。基于现有的颤抖振最新理论,本文发展了大跨度斜拉桥抖振时域分析的实用方法,基于ANSYS软件,提出了一整套桥梁抗风分析解决方案。本文主要完成了以下几方面的工作: 1、将小波方法应用到随机风场的模拟中,实现了桥址处空间脉动风场的有效模拟,以同时考虑桥塔、拉索、主梁的风振响应。 2、根据桥梁抗风计算的需要,提出了一整套斜拉桥抖振时域分析的实用方法。具体包括:(1) 在有限元模型方面,实现了薄壁杆件复杂截面几何特性的计算;发现了三梁式模型的不足,用新的单主梁模型替代之;引用了3节点13自由度非线性索单元,以考虑拉索的风振响应。(2)在风荷载方面,根据实用化的原则,根据准定常理论引入拉索的自激力公式,将Scanlan的自激力模型转化为气动刚度项+气动阻尼项+时间积分项(该项略去),用ANSYS软件中的MATRIX27单元模拟,以考虑拉索和主梁上的自激力;(3) 发展了抖振时域分析方法,实现了结构自重→→静风稳定性分析→→抖振时程分析的全过程计算,考虑了静风荷载引起的姿态变化和附加攻角效应,首次计入了脉动风速引起的瞬时风攻角,用于修正静风荷载、自激力和抖振力。 3、基于ANSYS软件,编制了具有ANSYS界面风格的桥梁抗风分析程序WIND RESPONSE,包括抖振时域分析模块,使得桥梁抗风计算实用化。 4、进行了杭州湾大桥全桥气弹模型风洞试验研究和非线性抖振时域分析,将二者做了对比分析验证。 5、运用本文方法和程序对杭州湾大桥和苏通大桥进行抖振时域分析,较全面地研究了静风荷载作用、几何非线性、气动力非线性、塔—索—梁耦合风振响应、粘滞阻尼器等几个关键问题,进行了详细的参数分析,从中得到一些结论。 6、提出了改进的双参数搜索全模态颤振分析方法,进行了苏通大桥的三维颤振分析,并研究了静风荷载作用对颤振稳定性的影响。 7、采用修正的增量与内外两重迭代方法和时程分析方法,进行了大跨度斜拉桥非线性静风稳定性分析,界定了斜拉桥静风失稳类型,讨论了斜拉桥静风失稳形态、机理以及抖振响应与静风稳定性相互影响的问题。


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