桥梁准定常驰振稳定的可靠性分析及强健性评价

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桥梁的主梁、桥塔、拱肋等钝体断面可能发生驰振。驰振是一种依赖速度的、阻尼控制的单自由度气动弹性不稳定性现象,在“高折减风速”下,即速度高于旋涡脱落锁定的速度时,由于没有旋涡脱落的实质性干扰,准定常理论是适用的,这种情况下发生的驰振称为准定常驰振。目前驰振稳定分析基本上还是经典的Den Hartog理论,该理论是基于气流准定常假设且来流是0°风攻角,同时由于桥梁所处的环境以及结构系统本身的复杂性,存在着影响结构准定常驰振稳定性能的很多不确定因素,目前基于安全系数法的准定常驰振稳定验算方法不能满足要求,本文引入了可靠度理论对桥梁的准定常驰振稳定进行分析。同时面对桥梁可能遭遇到的未曾遇到的极端风荷载,需要进一步对桥梁的驰振稳定性进行评价以反映桥梁抵抗极端风荷载的能力,本文引入准定常驰振强健性概念。本文的研究内容如下:(1)对于一个可能在高折减风速下发生准定常驰振的小宽高比(B/D£1的桥梁断面,明确提出准定常驰振理论的适用范围,分析流程。针对基于经典Den Hartog判据的准定常驰振临界风速计算方法的不足,如未考虑风攻角以及CD+dCL/da计算时可能会带来较大的误差,本文提出了一种考虑来流攻角的准定常驰振分析方法,该方法以dCy/da判据代替CD+dC1/da判据,在较小风攻角时,两者吻合很好,但在较大风攻角时,由于两个判据一个是考虑了来流风攻角一个未考虑来流风攻角,因此两者计算计算结果会存在较大的误差。在风洞实验室进行方形断面驰振试验,验证上述驰振力计算方法的可靠性,并利用CFD进行数值模拟,判断该断面发生驰振时是否收到旋涡脱落的影响。(2考虑到桥梁所处的环境以及桥梁系统中存在的各种不确定性,针对目前桥梁抗风设计中基于安全系数法的准定常驰振稳定验算的不足,本文提出了一种桥梁准定常驰振稳定的可靠度分析方法,引入引入了四个随机变量,分别为桥梁设计基准风速Ug、准定常驰振临界风速Uc r、阵风风速影响因子Gs,准定常驰振临界风速的风速修正系数Cw,其中Ug服从于极值I型分布,Uc r服从对数正态分布,Gs、Cw服从于正态分布。将准定常驰振稳定功能函数Zr表示为上述四个随机变量的函数,利用验算点法,在matlab中进行求解。利用上述方法对拱桥副拱进行成桥阶段和施工阶段的驰振稳定可靠性分析,发现由于拱桥等效质量大、自振频率高、特征尺寸小等特点,驰振稳定可靠性高。改变四个随机参数变异系数倍率,对其四个随机参数的敏感性进行分析。计算结果表明,随着各参数变异系数的变大,副拱的可靠度指标均会变小,而桥址处主梁高度设计基准风速的变异系数对可靠度指标影响最为明显,因此副拱断面准定常驰振稳定可靠度对主梁高度处基准风速的变异系数最为敏感,而对驰振临界风速修正系数、驰振临界风速和阵风系数的敏感性相对软弱。(3考虑桥梁可能遇到的未曾遇见的极端风速,本文引入准定常驰振强健性概念,提出了一种桥梁准定常驰振的强健性分析方法。和强健性分析方法类似,只是将设计基准风速中的重现期调整为4950年以反映极端风荷载的情况,然后按照同样的方法进行求解强健性和进行敏感性分析,发现同样拱桥副拱驰振稳定强健性好。
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