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大跨度悬索桥现场实测数据、风雨激励响应及风振疲劳研究

作　者: 胡俊
导　师: 欧进萍
学　校: 大连理工大学
专　业: 防灾减灾工程与防护工程
关键词: 悬索桥 现场实测数据 风雨激励 抖振疲劳 安全评定
分类号: U448.25
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着悬索桥跨径的日益增大,结构趋于轻柔,对风的作用更加敏感,风作用下桥梁结构的安全性已成为人们极为关注的重要问题。桥梁抗风属于起步较晚的学科领域,仍存在许多需要精细化研究以及尚未解决的问题。依托国家自然科学基金重点项目《大跨度桥梁结构风致动力灾变的原型观测与验证》(项目编号：90815022),结合现场实测及理论分析方法,本文对某大跨度悬索桥的风环境及响应实测、风雨共同激励、风振疲劳寿命以及构件在极值风作用下的安全评定等进行了研究,主要内容如下；(1)结合东海某大跨度悬索桥的风场监测系统,同步实测了桥面及桥塔处的风速,针对两年的实测结果,采用统计及频谱分析方法对桥位处风场特性进行了研究。结果表明,无量纲幂指数随风速增大而减小并趋于平稳；湍流强度亦随风速增大而减小且统计结果大于规范值；水平及竖向风谱与规范吻合较好,但实测谱值在低频段偏低；风场流过断面后下游平均风速减少、湍流强度显著增大、相关性明显减小、频谱特性亦发生明显改变。(2)结合东海某大跨度悬索桥的振动监测系统,同步实测了加劲梁及吊索的风振响应,并探讨了风振响应的理论分析及其与实测值的对比。结果表明,加劲梁的加速度响应RMS值与垂直桥面平均风速基本呈线性关系,其动力特性随风速变化基本稳定；吊索振动主要是某一高频范围内的共振,共振频率随风速增大基本呈线性；抖振时域响应的理论分析结果与实测值仍难以完全吻合,且理论结果要明显大于实测值。(3)基于降雨的基本特性,得到雨滴对桥面的冲击力,同时考虑雨滴作用与桥面运动之间的耦合,提出了降雨的冲击荷载及降雨阻尼单元模型,并以东海某大跨度悬索桥为对象探讨了风雨共同作用对加劲梁抖振响应的影响。结果表明,考虑强降雨的作用会增大结构顺风向的位移响应均值,竖向及扭转位移响应均值则影响较小,同时由于降雨产生阻尼作用,响应的RMS值均会减少。(4)基于降雨的阻尼模型,建立风-雨-桥梁耦合系统的颤振运动方程,提出了考虑降雨影响的颤振分析方法,并以东海某大跨度悬索桥为对象进行了探讨。结果表明,由于降雨产生阻尼作用,结构的颤振临界风速会进一步提高,然而由于雨滴的质量较小且垂直降落的速度不大,因此对颤振风速的影响程度有限。(5)基于东海某大跨度悬索桥桥位处平均风速的现场连续观测结果,探讨了疲劳风的风速风向分布,结果表明,疲劳风速分布能很好地符合威布尔分布；采用时域方法对该桥加劲梁的风振疲劳寿命进行了分析,同时针对大跨度悬索桥的风振特点提出了频域内仅考虑共振响应的疲劳分析简化方法；跨海悬索桥长期处于海洋性的腐蚀环境之中,腐蚀疲劳的共同作用会大大降低吊索的风振疲劳寿命。(6)提出服役吊索考虑腐蚀和断丝的强度模型,结合Monte-Carlo方法,探讨了极值风作用下吊索的可靠度分析方法,并以东海某大跨度悬索桥为对象进行了分析。结果表明,吊索强度可靠指标随断丝率的增长基本呈线性衰减,钢丝的腐蚀对吊索可靠度的影响不容忽视,且腐蚀钢丝变异系数的改变对可靠指标的影响更为显著。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-29
  1.1 课题背景和意义  11-15
    1.1.1 悬索桥的发展现状  11-13
    1.1.2 悬索桥抗风研究的必要性  13-15
  1.2 风对桥梁的作用  15-17
    1.2.1 风的静力作用  15-16
    1.2.2 风的动力作用  16-17
  1.3 国内外相关领域研究现状  17-28
    1.3.1 大跨度桥梁风场及风效应实测研究  17-20
    1.3.2 桥梁抖振分析理论  20-22
    1.3.3 桥梁颤振分析理论  22-23
    1.3.4 环境风载长期作用下大跨度桥梁风振疲劳分析  23-25
    1.3.5 风雨共同作用下桥梁颤、抖振分析  25-27
    1.3.6 极值风载作用下悬索桥在役吊索的可靠度分析  27-28
  1.4 本文研究的主要内容  28-29
第2章 某大跨度悬索桥风场实测与风场特性分析  29-48
  2.1 引言  29
  2.2 东海某大跨度悬索桥的风场监测系统  29-31
  2.3 基于长期监测数据的悬索桥风场特性分析  31-42
    2.3.1 实测风速数据的预处理  31
    2.3.2 平均风速和风向  31-34
    2.3.3 湍流强度  34-37
    2.3.4 阵风因子  37-39
    2.3.5 湍流积分尺度  39
    2.3.6 功率谱密度  39-40
    2.3.7 实测风场的相关性分析  40-42
  2.4 桥位处上下游风场特性的对比分析  42-46
    2.4.1 平均风速对比  42-43
    2.4.2 湍流强度对比  43-44
    2.4.3 湍流积分尺度对比  44-45
    2.4.4 功率谱密度对比  45-46
  2.5 本章小结  46-48
第3章 东海某大跨度悬索桥风振响应的现场实测与数值模拟  48-66
  3.1 引言  48
  3.2 东海某大跨度悬索桥的振动监测系统  48-49
  3.3 东海悬索桥加劲梁的风振响应实测分析  49-53
    3.3.1 加劲梁实测加速度响应  49-51
    3.3.2 加劲梁实测动力响应的频谱分析  51-53
  3.4 东海悬索桥吊索的风振响应实测分析  53-55
    3.4.1 吊索实测加速度响应  53
    3.4.2 吊索实测动力响应的频谱分析  53-55
  3.5 悬索桥风振响应的有限元分析及其与实测结果对比  55-64
    3.5.1 大跨度悬索桥三维风场数值模拟  55-56
    3.5.2 抖振分析的风荷载模型  56-58
    3.5.3 东海大跨度悬索桥的抖振时域分析及对比  58-64
  3.6 本章小结  64-66
第4章 风雨共同作用下大跨度悬索桥动力响应分析  66-84
  4.1 引言  66
  4.2 降雨的基本特性  66-69
    4.2.1 降雨强度  66-67
    4.2.2 降水粒子的直径分布  67-68
    4.2.3 雨滴的速度  68-69
  4.3 风雨激励下的桥梁动力分析模型  69-77
    4.3.1 风雨激励的基本假定  69-70
    4.3.2 降雨模型的等效  70-72
    4.3.3 降雨对桥梁作用模型  72-77
  4.4 风雨激励下东海某大跨度悬索桥动力响应分析  77-82
    4.4.1 分析参数  77
    4.4.2 风雨激励下结构响应分析  77-82
  4.5 本章小结  82-84
第5章 风雨共同作用下大跨度悬索桥颤振分析  84-93
  5.1 引言  84
  5.2 风雨激励下的桥梁颤振分析  84-89
    5.2.1 风雨颤振分析的基本假定  84
    5.2.2 风雨共同作用下桥梁颤振分析模型  84-89
  5.3 风雨激励下东海某大跨度悬索桥颤振分析  89-91
    5.3.1 分析参数  89-91
    5.3.2 结构颤振分析结果  91
  5.4 本章小结  91-93
第6章 大跨度悬索桥风振疲劳累积损伤分析  93-118
  6.1 引言  93
  6.2 基于现场观测的疲劳风速分析  93-99
    6.2.1 东海某大跨度悬索桥桥面风速的连续观测  93-95
    6.2.2 风速风向联合分布概率模型  95-99
  6.3 风振疲劳累积损伤及可靠度分析  99-101
  6.4 大跨度悬索桥风振疲劳的时域分析方法  101-106
    6.4.1 考虑风向影响的抖振疲劳分析  101-102
    6.4.2 风振疲劳的时域分析步骤  102-103
    6.4.3 东海某大跨度悬索桥的抖振疲劳寿命时域分析  103-106
  6.5 大跨度悬索桥风振疲劳频域内简化分析方法  106-111
    6.5.1 随机疲劳的频域分析方法  107-108
    6.5.2 大跨度悬索桥风振疲劳的简化分析方法  108-110
    6.5.3 疲劳损伤频域方法算例分析  110-111
  6.6 风载作用下悬索桥吊索的腐蚀疲劳寿命分析  111-116
    6.6.1 吊索钢丝的损伤演化过程  112-114
    6.6.2 东海某大跨度悬索桥吊索的风载寿命分析  114-116
  6.7 本章小结  116-118
第7章 在役悬索桥吊索在极值风作用下的可靠度分析  118-130
  7.1 引言  118
  7.2 服役吊索退化后抗力分析模型  118-123
    7.2.1 平行钢丝拉索的Daniel效应  118-119
    7.2.2 腐蚀钢丝强度模型  119-120
    7.2.3 基于Monte-Carlo方法的服役吊索强度模型分析  120-123
  7.3 服役悬索桥结构安全度评估的极值风效应  123-124
    7.3.1 服役结构安全评估的极值风荷载标准  123-124
    7.3.2 极值风作用下悬索桥吊索拉力分析  124
  7.4 悬索桥吊索抗风可靠度分析  124-125
  7.5 东海某大跨度悬索桥吊索的风载可靠度分析  125-128
    7.5.1 悬索桥服役年限对风载可靠度的影响  126-127
    7.5.2 断丝对吊索风载可靠度的影响  127
    7.5.3 腐蚀对吊索风载可靠度的影响  127-128
  7.6 本章小结  128-130
第8章 结论与展望  130-132
  8.1 结论  130-131
  8.2 展望  131-132
参考文献  132-140
创新点摘要  140-141
攻读博士学位期间发表学术论文情况  141-142
致谢  142-143
作者简介  143-144

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 各种桥梁 > 桥梁：按结构分 > 悬索桥
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