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自立状态下钢桥塔涡振容许振幅研究

作　者: 车鑫
导　师: 李加武
学　校: 长安大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 钢桥塔涡激共振容许振幅容许应力疲劳寿命阻尼比气动外形
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

悬索桥和斜拉桥作为现代大跨桥梁的重要结构形式，特别是在跨越峡谷、海湾、大江、大河等不易修筑桥墩的情况下被广泛采用。桥塔是悬索桥和斜拉桥的共有结构之一，随着斜拉桥和悬索桥跨径的增大，桥塔的高度也随之越来越大，随着桥梁设计、计算理论、桥梁结构型式和桥梁用材的不断变化，我国钢桥塔在大跨桥梁中的使用将越来越普遍。由于桥塔作为一种高耸结构，其高度对横截面尺寸的比例很大，可将其作为一种细长结构。当桥塔处于自立状态时，由于此时桥塔缺少缆索体系约束，刚度较低，阻尼也较小，桥塔风致振动问题就成为了设计的关键因素之一。特别是对于钢桥塔，其低阻尼特性会更加显著，更易受横风向作用，容易发生涡激共振。过大的振幅不仅影响施工人员、施工机械的安全性以及施工作业的舒适性，还会导致桥塔结构自身的失效甚者破坏。因此，对于桥塔处于涡激共振区域的振幅必须加以限制。但是，当桥塔发生涡振时，振幅值在多大范围内是可以接受的（也就是在本文中提出的涡激共振容许振幅值），在各国的规范中没有相应的参考值或是计算公式。本文从结构的抗力出发，以桥塔截面的容许应力值来确定桥塔在发生涡激共振时的最大容许振幅。即当桥塔结构发生涡振时，根据截面的容许应力值来推断涡振的容许振幅值的大小，得到了发生涡振时容许振幅的简化计算公式。并以港珠澳江海直达船航道桥钢直塔方案和南京长江三桥桥塔为研究对象，将利用简化计算公式得到的桥塔塔顶容许振幅值，按照桥塔的振型曲线加载约束位移模拟涡激共振容许振幅，同时将涡激力加载到桥塔上，使用大型结构有限元通用计算软件ANSYS进行分析，得到桥塔最不利截面的应力值，并和截面容许应力值进行比较。之后，根据计算结果对桥塔一阶弯曲和扭转涡激振动容许振幅的公式进行了修正，得到塔顶容许振幅与塔高关系的修正公式。同时也给出了高阶弯曲和扭转涡激振动简化计算公式，并通过工程实例验证了其适用性。而后，在求得桥塔结构不同风向、风速下风致响应的基础上，基于疲劳累积损伤理论对钢桥塔进行了疲劳寿命的估算，并比较了不考虑涡激振动的风致疲劳和考虑涡激振动风致疲劳对疲劳寿命的影响。结果表明涡激共振对结构的疲劳寿命有一定的影响，在计算钢桥塔结构风致疲劳寿命时，不应该忽略涡激共振的影响。还根据英国道路桥梁设计手册中提出的动力敏感性系数K D，对桥塔的舒适度进行了简要评价。最后，分析了几种影响桥塔涡振的因素，根据桥塔气弹模型风洞试验结果，分析了阻尼比及气动外形对桥塔涡激振动的影响。

自立状态下钢桥塔涡振容许振幅研究

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