台风非平稳特性对大跨钢桁梁斜拉桥抖振特性影响分析

作     者：张国良 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王旭

授予年度：2024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：台风 大跨度钢桁梁斜拉桥 非平稳风特性 风场模拟 抖振响应 

摘      要：大跨度桥梁正向着智能化、自动化和绿色可持续方向迈进。在这一进程中,钢桁架结构因其轻质、高强、施工迅速及环境友好等特点,在大跨度桥梁建设中被广泛采用。然而,随着跨度的增加和结构质量的减轻,这类桥梁对风荷载的敏感度也相应增强,进而加剧了风致效应的问题。特别是近年来,由于台风事件频繁发生及其非平稳特性明显表现,使得大跨钢桁梁斜拉桥的风致响应愈发复杂。目前,传统的桥梁抖振分析多基于平稳随机过程假设,对于预测桥梁在非平稳风环境中的抖振响应存在局限性。因此,结合台风的非平稳特性改进传统抖振分析框架对于加强大跨钢桁梁斜拉桥在台风作用下的非平稳抖振响应研究具有重要意义。于是,本文紧紧围绕台风以及桥梁抖振响应的非平稳特性,开展了台风作用下大跨钢桁梁斜拉桥非平稳抖振时域模拟与分析。主要研究内容包括: (1)台风平稳、非平稳风特性实测分析。基于台风实测数据,通过使用游程分析法评估风速的平稳性,从而确定了三个方向风速的平稳状态。随后,利用经验模态分解法(EMD)和小波变换(DWT)技术,提取非平稳风速的时变趋势项,并比较两种方法的优异性。在此基础上,开展了基于平稳、非平稳风速模型的脉动风特性研究,包括:紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度和功率谱密度。通过比较两种模型,揭示了风特性的差异及其变化规律。特别地,利用广义风谱模型和扩展的非平稳功率谱模型,采用非线性最小二乘法,成功拟合了台风“山竹的平稳功率谱和非平稳演变谱。 (2)主梁平稳、非平稳脉动风场模拟。根据所拟合出的顺风向、竖向平稳功率谱和非平稳演变谱模型,分别使用基于AR模型的线性滤波法和基于POD技术的谐波合成法模拟了主梁平稳与非平稳脉动风场。进一步,从频谱性和相关性两个方面,验证了所模拟平稳与非平稳脉动风场的有效性和可靠性。这不仅为后续的大跨钢桁梁斜拉桥时域抖振分析提供了真实可靠的风速数据基础,同时也证实了所采用的两种模拟方法在风场模拟方面的适用性和准确性。 (3)大跨钢桁梁斜拉桥非平稳抖振响应分析。基于桥梁非平稳抖振时域分析框架和ANSYS有限元模型,综合考虑气动自激力和结构非线性等因素,开展了台风作用下大跨钢桁梁斜拉桥非平稳时域抖振分析。首先计算了主梁跨中位置的静风响应,而后再进一步计算0°风攻角下的抖振时程响应,并将平稳与非平稳模型进行对比。在此基础上,根据Priestley理论估计了基于样本平均的非平稳抖振位移演变谱密度(EPSD),并将其与平稳抖振位移功率谱(PSD)进行对比,揭示了台风作用下大跨度钢桁梁斜拉桥抖振分析考虑非平稳特征的重要性。研究最后探讨了气动导纳、平均风速、风谱类型以及相干函数的选取对整体抖振响应的影响规律,进一步深化了对非平稳抖振现象影响因素的认识。