钢桁架悬索桥风振响应分析

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随着桥梁风工程和施工技术的不断发展,钢桁架悬索桥跨度日益增大,结构更加轻柔,对平均风作用也更加敏感,吊索作为悬索桥的主要传力受力构件,其刚度、质量和阻尼都相对较小,特别容易在各种激励下发生振动,造成其阻尼比的识别精度不高,给风振分析带来了很大困扰,尤其针对吊索阻尼比变化对悬索桥抖振响应影响的研究上稍显不足,为了探究吊索振动机理,研究吊索阻尼比、涡激振效应对悬索桥抖振的影响本文展开以下研究。首先针对一工程实例(主跨856m)进行有限元分析,采用Davenport抖振理论建立悬索桥抖振响应分析基础,并对吊索动力特性进行分析。然后建立单吊索—主梁阻尼模型和吊索刚度模型,并采用自由振动衰减法对吊索阻尼比进行计算和分析,最终分析吊索的长度、初张力、直径和风速等因素对悬索桥抖振响应的影响,根据结果可知:1)采用ANSYS对悬索桥进行数值模拟的方法是可行的,并且吊索阻尼比对悬索桥抖振的响应主要由低阶频率参与,高阶频率对抖振响应的影响很小;2)随着悬索桥吊索的长度、直径和风速的增大,悬索桥的跨中、L/4跨位移侧向位移都会随之增大,而吊索的长度对竖弯的影响没有明显的趋势;3)随着吊索的初张力逐渐增大时,悬索桥的跨中、L/4跨侧向位移呈现下降的趋势,竖弯位移也呈现下降的趋势;4)在20m/s的风速时不考虑吊索阻尼比得到的抖振位移比考虑阻尼比影响时偏大32.6%,随着风速的增加,吊索阻尼比对结构产生的影响越明显,整体而言不考虑吊索阻尼比得到的悬索桥侧向与竖弯抖振均方差明显偏大。除此之外,本文还分析吊索的流固耦合效应,并通过ANSYS加CFX处理的方法模拟吊索流固耦合效应,采用Fluent软件分析吊索涡激振现象,分析单根吊索流固耦合效应的振幅和串列双吊索涡激振产生耦合效应对吊索振动的振幅的影响。根据结果可知:1)单吊索数值模拟的结果验证本文提出的吊索刚度与阻尼比的计算更符合真实情况下吊索的振动,上下游的吊索在一定间距比下会相互影响;2)随着吊索刚度和阻尼比的变化,吊索的无因振幅也会出现波动,在吊索刚度减小的情况下,无因振幅缓慢增大,吊索阻尼比增大的情况下,吊索的无因次振幅减小;3)在悬索桥上下游吊索的间距比L/D为4的情况下,上游吊索涡激振产生的尾流会对下游吊索产生较大影响,所以对于悬索桥吊索间距比应控制在5以上。
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