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随着越来越多大跨度斜拉桥的修建,人们认识到其结构刚度变得愈来愈小,在自然条件风场作用下,越大跨度的斜拉桥其敏感性也会愈发明显。由于山区地形和地貌的特点,山区峡谷的风场往往表现为阵风强烈,非平稳特性特别突出,一般传统的抖振分析是把脉动风看作零均值平稳随机过程,如果依旧把山区风速视为平稳随机过程显然是不合理的。目前,桥梁领域学者们主要是针对成桥阶段下的大跨度桥梁进行抖振响应研究。相比于成桥阶段,施工过程的结构柔度更大,在自然风作用下,大跨度桥梁结构容易发生很大抖振响应使得桥梁结构产生破坏。在非平稳风速场作用下,处于施工过程的大跨度桥梁气动稳定性问题有必要展开深入研究。本文借助于数值模拟方法和桥位的现场实测数据,研究了施工过程斜拉桥结构在山区风作用下的非平稳抖振响应。将来更加精细化的桥梁抖振分析将为超大跨度的桥梁建造提供更多的建设性意见。本文主要进行了以下几个方面的工作:
(1)根据依托工程斜拉桥结构组成及施工过程,利用有限元分析软件ANSYS建立了该斜拉桥的有限元模型,同时进行了关键施工过程以及成桥阶段桥梁结构动力特性的计算和分析。
(2)使用小波分析理论,提取了实测风速的时变平均风,实测数据表明山区风由时变平均风和非平稳脉动风组成。在依托工程斜拉桥桥位处的风速场情况和实测风速基础上,对该斜拉桥主梁等结构使用谐波合成法进行了脉动风场的模拟,然后对模拟的脉动风场进行了风速功率谱检验和相关性检验,检验结果表明本文采用的风速场简化方法和编写的脉动风模拟算法是可行的,能解决实际工程问题。研究了对静风荷载、自激力和抖振力进行时域化的方法。利用模拟的非平稳脉动风,在将其时域化后加载到ANSYS模型中,进行非平稳抖振响应分析。
(3)依托工程斜拉桥非平稳抖振响应分析结果表明:相比于实测脉动风作用下的斜拉桥主梁位移响应均方值,非平稳脉动风作用下斜拉桥主梁位移响应均方值更大。非平稳风场和实测情况相比更加保守,更偏于安全。悬臂施工过程中,悬臂端的主梁抖振位移是最大的,为减小悬臂端的抖振响应,可以在施工过程中设置抗风索、辅助支撑等方式。中跨合龙后,中跨1/2点抖振扭转位移有较大减小;解除塔梁临时固结体系转换后,中跨响应较体系转换前有所减小;最大单悬臂挂索后,中跨响应较挂索前有所减小。
(1)根据依托工程斜拉桥结构组成及施工过程,利用有限元分析软件ANSYS建立了该斜拉桥的有限元模型,同时进行了关键施工过程以及成桥阶段桥梁结构动力特性的计算和分析。
(2)使用小波分析理论,提取了实测风速的时变平均风,实测数据表明山区风由时变平均风和非平稳脉动风组成。在依托工程斜拉桥桥位处的风速场情况和实测风速基础上,对该斜拉桥主梁等结构使用谐波合成法进行了脉动风场的模拟,然后对模拟的脉动风场进行了风速功率谱检验和相关性检验,检验结果表明本文采用的风速场简化方法和编写的脉动风模拟算法是可行的,能解决实际工程问题。研究了对静风荷载、自激力和抖振力进行时域化的方法。利用模拟的非平稳脉动风,在将其时域化后加载到ANSYS模型中,进行非平稳抖振响应分析。
(3)依托工程斜拉桥非平稳抖振响应分析结果表明:相比于实测脉动风作用下的斜拉桥主梁位移响应均方值,非平稳脉动风作用下斜拉桥主梁位移响应均方值更大。非平稳风场和实测情况相比更加保守,更偏于安全。悬臂施工过程中,悬臂端的主梁抖振位移是最大的,为减小悬臂端的抖振响应,可以在施工过程中设置抗风索、辅助支撑等方式。中跨合龙后,中跨1/2点抖振扭转位移有较大减小;解除塔梁临时固结体系转换后,中跨响应较体系转换前有所减小;最大单悬臂挂索后,中跨响应较挂索前有所减小。