不同非平稳强风下大跨度悬索桥非线性风振响应分析

作     者：蔡金梅 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周锐

授予年度：2022年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：大跨悬索桥 时变平均风 调制演变谱 非线性非定常气动力 非线性风振响应 时频分析 

摘      要：随着大跨度悬索桥跨度的增长,其结构愈加轻柔、刚度小、阻尼小的特点凸显,对风作用的敏感性显著增加。风荷载是该类大跨悬索桥最主要的设计荷载。与此同时,近年来我国沿海地区台风灾害频发,非平稳特征突出的强台风作用下大跨度悬索桥的风致振动问题亟需系统深入地探讨。抖振虽然不能直接使桥梁损毁,但长期振动会影响桥梁的疲劳寿命和桥面行车的舒适感。在传统的桥梁风振分析中,来流被假定是平稳的,气动力采用准定常假设计算,如果采用平稳线性假设计算强台风作用下桥梁的风振响应可能会对桥梁结构抗风运营安全性埋下隐患。目前大跨度悬索桥的主梁断面主要有闭口箱梁和分体箱梁两种形式,本文分别以某分体箱梁和闭口箱梁悬索桥为研究对象,同时考虑强台风的非平稳特性和气动力的非线性非定常效应,开展非平稳强风风场下两种断面形式大跨悬索桥的非线性风振响应研究。首先,介绍桥梁风特性和非平稳风场模拟方法,归纳现有研究中常用的时变平均风生成方式和多种特点的调制函数。基于余弦型和指数型时变平均风速模型、两种典型的均匀调制函数与两种典型的非均匀调制函数生成桥址区的不同非平稳强风风场,并从空间非平稳性、紊流度、功率谱密度、和自相关函数方面验证该非平稳风场的可靠性。其次,基于非线性非定常气动力时域模型,分别建立分体箱梁和闭口箱梁两种断面形式的大跨度悬索桥非线性有限元模型,进行四种调制演变脉动风速模型和余弦函数时变平均风速模型组合下分体箱梁悬索桥的主梁风振响应的时、频分析,以及四种调制演变脉动风速模型和指数函数时变平均风速模型组合下闭口箱梁悬索桥的主梁风振响应的时、频分析,探究不同脉动风速模型和时变平均风速模型对非平稳风振响应的影响。结果表明:1)不管时变平均风公式输入的是指数型还是余弦型,非均匀调制风谱的脉动风其紊流度均高于均匀调制谱的情况;且水平向脉动风的紊流度高于竖向脉动风的紊流度;模拟的水平顺风向风速的时、空非平稳性均比竖向风速更显著。2)时变平均风取余弦函数类型时,扭转和侧向位移均方根的最大值基本在跨中截面,并在跨中两侧呈正对称分布,而竖向位移最大值在四分之一跨处。随着γ的增大,扭转、侧向、竖弯三向的位移均方根均增大;随着φ的增大,扭转、侧向的均方根值均减小。3)时变平均风取指数函数类型时,侧弯位移和竖弯位移均方根最大值基本位于跨中截面,并在跨中两侧呈正对称分布,而扭转位移最大值在四分之一跨。随着β的增大,指数型时变平均风会以非线性的形式减小,进而致使三向位移响应非线性地减小。4)当时变平均风相等时,非均匀调制风场下的全桥位移响应大于均匀调制的情况,表明整体风速相对于均值的离散程度越高,脉动特征越明显,全桥的位移响应就越大,即该种风场对桥梁结构的危害越大。5)风振位移响应的能量均主要集中在低频区。不同紊流风谱对应的风振位移功率谱密度峰值并没有十分大的差距,这一方面佐证了本文使用的四类调制函数及其演变风谱都是合理的;另一方面说明,从风振能量的角度来看,脉动风谱的选择不会对安全构成威胁。但是调制谱情况的局部功率谱密度更高,即调制风谱下主梁的振动能量相对于无调制的情况会在不同频带上发生迁移。