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波浪效应下大跨度斜拉桥索桥耦合振动研究

谭长建  
【摘要】: 随着我国交通事业的蓬勃发展,国家中长期铁路网规划及高速公路网的规划中出现越来越多的跨海大桥。继东海大桥、杭州湾大桥之后,渤海湾大桥、黄岛大桥、及舟山联岛工程等一系列跨海大桥的建设都已被提上议事日程,在贯穿中国南北国道主干线中长约5200公里的同三线(黑龙江省同江一海南省三亚)中,将涉及渤海湾大桥、宁波杭州湾大桥、伶仃洋大桥,以及琼州海峡大桥四座跨海大桥,大跨度斜拉桥及悬索桥方案也已经出现在规划中的同(江)三(亚)线等大型跨海工程中。这一切标志着我国即将修建超大跨度跨海大桥。 大跨度斜拉桥由于跨度较大、拉索较长、结构轻柔,因此大跨度斜拉桥的车桥耦合振动问题、拉索振动问题以及抗风抗震问题等都是重要的研究课题,而跨海大跨度斜拉桥还要考虑桥墩受海浪的影响,因为当海水较深、浪高较大时,波浪产生的波浪力作用于桥墩时有可能会引起桥梁较大振动响应,并有可能与桥梁其它振动相互耦合导致桥梁结构发生破坏。本文正是从跨海大跨斜拉桥的上述特点出发,研究波浪荷载作用下大跨斜拉桥的振动响应以及拉索振动问题,首先,基于大涡模拟和VOF方法,并引入两相流概念,建立了三维波浪与桥墩作用的数学模型,对桥墩在波浪效应下的受力进行深入研究,然后推导了大跨度斜拉桥拉索与桥面耦合振动非线性运动方程,对拉索桥面耦合振动问题进行理论分析,最后详细探讨了大跨度跨海斜拉桥在波浪效应作用下桥梁结构的动力响应,并对波浪效应下拉索振动进行研究,主要研究内容如下: 1.研究三维波浪与桥墩的相互作用,首先要考虑三维波浪数学模型的建立问题,而自由水面追踪技术是三维波浪数值模拟成功的关键之一。第二章详细介绍了VOF方法和Level Set方法,并对本文所采用的具有二阶精度的PLIC-VOF方法进行细致分析,给出了从自由界面法向向量的确定、供体受体单元的确定、自由界面的传播到VOF流量的计算整个过程的计算方法。 2.基于两相流的概念,采用PLIC-VOF方法进行自由水面的追踪,采用大涡模拟的NS方程为波浪运动的基本控制方程,波浪与结构物接触面采用两步边界定位法和虚拟边界力方法进行处理,数值造波则采用边界造波法,建立了三维波浪与结构物作用的数学模型。数值求解采用两步映射法,对流项采用复合的迎风和中心差分、其他空间导数项采用中心差分数值离散。 3.开展了波浪与结构物作用的应用研究,首先,对边界造波法及PLIC-VOF方法进行数值验证;其次,分析了均匀流与圆柱相互作用的流场、涡结构以及阻力系数和升力系数的演化;再次,研究了波浪与大尺度圆柱作用产生的绕射、反射现象;然后开展了波浪与不同形状结构物相互作用的应用研究,对波浪与方柱、波浪与圆端形桥墩、波浪与群墩结构的相互作用进行研究;研究表明,波浪的波形及时空的演化与理论解非常吻合;能够很好的模拟波浪与结构物的作用,三维均匀流与圆柱相互作用数值计算中所得的阻力系数和升力系数与其它相关文献数值结果相当吻合,大直径圆柱的绕流分析中绕流系数的数值计算结果与理论解吻合很好; 4.推导了拉索与桥面耦合振动非线性方程,分析了单根拉索与桥面参数耦合振动以及相邻索与桥面耦合振动及邻索耦合振动。研究表明,在考虑索的垂度、拉索与桥面两质量之间耦合特性的情况下,索不仅在索与桥面的频率比为1附近时会发生共振,而且在频率比为1/2、2附近时也会发生较大幅度振动;拉索与桥面的倾角及拉索与桥面质量比均会对拉索局部振动产生影响,随着索的倾角增大以及桥面与索的质量比的增大,索的谐波共振振幅会减小,而索与桥面频率比为1/2、2时的内共振振幅会明显增大。在桥面振动频率与索的频率比1附近有较宽的共振域,当桥面振动频率与两相邻索中一根索的频率比为1时,会引起两相邻索同时发生较大幅度的振动;当两相邻索的自振频率比较接近时,其中一根索发生参数振动时,另一根索也会发生较大幅度的振动。 5.探讨了大跨度跨海斜拉桥在波浪效应作用下桥梁结构的动力响应,并对波浪效应下拉索的振动响应进行研究。结果表明,波浪效应下边跨由于辅助墩较多,受到较大波浪力的影响,桥梁主梁振动加速度、弯矩等在边跨处响应均比桥梁主跨处响应要大的多。波浪效应下主塔加速度响应在顶部最大,进入索区加速度会有所减小,主塔弯矩响应则会在进入索区后,在长索区弯矩响应相比较其它位置要大。对于长索来讲,波浪荷载会加大索跨中的竖向位移响应。 最后,对本文的研究工作进行总结,并提出了需要进一步研究和拓展的相关课题。


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