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1、高墩波形钢腹板PC组合箱梁桥地形风致抖振响应研究 - 土木工程 土木项目论文波形钢腹板PC组合箱梁桥文地形风文抖振响应本文是一篇土木项目论文，本文运用 Gambit 软件，建立了西阜高速胭脂河大桥桥址附近的三维峡谷地形模型，使用 Fluent 软件对桥址附近的风场进行了模拟。运用 Matlab 软件对大桥主梁高度位置处的脉动风场进行了模拟。运用 Midas 软件建立了桥梁施工期最大悬臂阶段和成桥阶段的有限元模型。第 1 章 绪论1.1 桥梁抗风的研究背景随着我国西部开发战略和“一带一路战略的提出，西部交通事业开展迅猛。横跨峡谷河流的桥梁越来越常见，桥梁跨度越来越大，但是体型越来越轻柔，这样也会
2、导致桥梁自身刚度有所下降。但是，随着桥梁周围风场越来越复杂，使得桥梁结构对风敏感度提高。对于一些横跨峡谷甚至是跨海大桥，面对强风更容易发生破坏。风对桥梁的危害表现在很多方面：风作用于桥梁上引起的结构振动可能会导致桥梁过早疲劳损坏；结构振动会使得桥上行人车辆心理上产生不平安感；风致振动引起的桥梁振动幅度过大会直接导致桥梁损坏。1940 年美国华盛顿州建成的塔科马悬索桥OldTacomaNarrowsBridge，是当时世界上最为细长的桥梁。建成四个月后在 1720m/s 的风力作用下由于风致振动，桥梁一度发生折角达 35的扭转振动，最终桥梁彻底毁坏。从此，桥梁设计者和相关学者意识到，除了风对桥梁
3、的静力作用之外，风与桥梁之间的动力作用也会对桥梁产生灾难性的损坏。.1.2 研究的目的和意义近年来随着经济和社会的开展，桥梁设计和建造技术日渐成熟，桥梁跨度增大，能够横跨江河深谷，大跨度的桥梁为了减轻自重常采用轻质高强度材料。桥梁对风的敏感度进一步提高，导致大跨度桥梁会更容易发生由风引起的破坏。所以，减小风致振动对桥梁的影响，保证施工期尤其是最大悬臂状态下的桥梁结构的平安，在成桥后降低振动对桥梁结构的影响，防止过早的疲劳损坏以及保证桥上行人车辆的舒适度，成为桥梁项目师重点解决的问题。大跨度桥梁多横跨江河、峡谷、海洋，容易碰到台风等高风速极端天气，所以此类桥梁成为了桥梁风项目中的研究热点。在复杂
4、的风场环境中，结构更容易发生振动，振动可以分为自激振动和强迫振动，自激振动对桥梁的影响较大，桥梁在自激振动机制下会吸收外界能量而振动幅度越来越大，大幅度的振动容易导致桥梁结构的损坏。随着桥梁技术的开展，一般桥梁的自激振动在设计阶段就能够得以解决。抖振属于强迫振动，这种振动形式幅度有限但是比拟普遍，它不像自激振动需要满足一定条件，抖振在任意风速下都能发生。过大的抖振容易引起桥梁的疲劳损坏，还会对桥上人员的心理和生理健康产生影响。降低桥梁的抖振响应能够保证桥梁在成桥阶段的正常运营，延长桥梁的使用寿命。波形钢腹板组合箱梁充沛利用了钢腹板的抗剪性能，但是波形钢腹板的几何形状增大了桥梁对风的敏感性，尤其
5、是在施工阶段，长悬挑半跨桥梁结构在强风环境下，更容易发生风致振动。山区的风场受地形地貌影响，形成地形风，使跨越峡谷的高墩桥梁产生复杂的风致振动。因此，对复杂地形下的高墩大跨桥梁的风致振动研究具有重要的项目价值和意义。.第 2 章 风场理论与特性2.1 近地风特性2.1.1 平均风特性空气的流动是随机过程。平均风速是对风速进行长时间的测定取得的平均值，短时间的风速变化充斥了不确定性。但是当地的气候条件随着季节更替，每年的气象条件会呈现出周期性的规律，近地面平均风速的变化也随之呈现周期变化的规律，所以产生了平均风速变化重现期的描述。1根本风速进行桥梁抗风计算需要首先确定该地区的根本风速，根本风速是
6、当地的风场环境的代表。通常对当地的风测数据进行统计之后，用 10min 平均年最大风速作为根本风速。2风速剖面风沿着垂直高度的变化十分复杂，受到当地地理环境影响较大。同样的地理环境下，风在流动过程中经过障碍物会损失一局部能量，越接近地面障碍物越多，风损失的能量也越多，风速也就越小。随着高度的增加风速会越来越大并呈现一种梯度式增大的形式。国际上常采用指数律公式来描述风速随高度梯度式增大的规律。当桥梁周围地理环境十分复杂时，数学模型已经不能准确的对当地的风速剖面进行描述。此时，应该通过实测或者试验的伎俩对风速剖面进行确定。.2.2 风对桥梁的作用风对结构的作用非常复杂，受到结构的外形形状、风的特性
7、、结构自身的动力特性等很多因素的影响。平均风对桥梁结构的作用主要是静压力，脉动风那么会使得结构发生振动。2.2.1 静力作用静力作用是平均风对桥梁的阻力、升力以及扭矩作用。静力作用会引起结构内力使得结构发生变形，过大的变形会使得结构发生强度破坏。静风作用下，桥梁主梁发生的变形会改变自身的结构刚度，也会在一定程度上由于自身形状的改变引起周围风场的变化，风场的变化反过来会增大结构的变形，最后导致结构失稳，这种作用也叫做空气静力失稳。静力失稳会引起结构横向屈曲和扭曲发散。对结构破坏大，而且破坏形式没有征兆。桥梁本身具有自振特性，自然风流过微微振动的桥梁，桥梁周围的风场会由于风与桥梁的相互作用而形成一
8、种特殊的分布状态。对桥梁结构影响较大的风致振动形式可以分为五类，包括颤振、驰振、抖振、涡振和拉索风振。其中，超过临界值的颤振会使得主梁失稳从而导致结构破坏，对于一些悬索桥、斜拉桥等影响较大的是驰振；抖振对于主梁的疲劳可靠性影响较大，涡振是桥塔周围形成的一种涡旋，对桥塔影响很大。这两种振动会影响桥梁的平安可靠性；抖振还会影响主梁上人员的舒适度。下面分开介绍这五种风振形式。.第 3 章 模型建立及脉动风场模拟. 173.1 数值模型的建立 . 173.1.1 项目概况 . 173.1.2 模型的建立 . 17第 4 章 施工期风荷载数值模拟计算. 354.1 峡谷地形季风环境模拟 . 354.1.
9、1 参数设定 . 354.1.2 峡谷内风场特征 . 35第 5 章 高墩波形钢腹板 PC 组合箱梁桥峡谷地形风致抖振响应分析. 615.1 桥梁抖振响应分析办法 . 615.1.1 抖振时域分析步骤 . 615.1.2 抖振力的计算办法 . 61第 5 章 高墩波形钢腹板 PC 组合箱梁桥峡谷地形风致抖振响应分析5.1 桥梁抖振响应分析办法5.1.1 抖振时域分析步骤桥梁结构抖振响应分析分为频域分析与时域分析两种。随着大跨度桥梁增多，抖振分析中的材料的非线性以及结构的变形对风场的影响等非线性因素，都会影响桥梁的抖振响应。时域分析法在非线性因素影响的问题上，理论开展较为成熟，能够较为全面的考虑
10、到抖振分析中的各种因素。抖振时域分析办法是将脉动风数值模拟与结构有限元分析办法结合在一起的一种综合办法61，62。通用的分析步骤如图 5-1 所示。.结论本文运用 Gambit 软件，建立了西阜高速胭脂河大桥桥址附近的三维峡谷地形模型，使用 Fluent 软件对桥址附近的风场进行了模拟。运用 Matlab 软件对大桥主梁高度位置处的脉动风场进行了模拟。运用 Midas 软件建立了桥梁施工期最大悬臂阶段和成桥阶段的有限元模型。对桥梁进行了风致抖振响应分析，可以得到下列几点结论。1 根据胭脂河大桥桥址处的地理信息在 Gambit 软件中建立了桥梁与地形融合的三维数值模型。所建立的三维数值模型能够对
11、当地的风场环境进行模拟与计算。2 采用谐波合成法，根据当地的地表环境设置参数，对桥梁主梁高度位置处的脉动风场进行了模拟，目标谱与计算功率谱吻合较好，证明本文所计算的脉动风速时程合乎实际。3 运用 Fluent 软件对胭脂河大桥桥址附近的峡谷地形风场进行了模拟，证明了当地峡谷地形特征能够产生“狭管效应，从而使得峡谷内的夏季风速增大。4 对主梁在不同风攻角下的风场特性进行了模拟，得到了主梁周围的风场随攻角变化的规律。通过计算得到了主梁精确的静力三分力数值。5 施工期最大悬臂阶段，抖振响应在悬臂端横桥向引起的振动最大，悬臂根部为受力最大位置；成桥运营阶段，抖振响应在跨中横桥向引起的振动最大，靠近主墩和引桥桥墩的单元为受力最大位置。通过抖振响应分析为施工期的结构平安以及成桥阶段的结构健康运营提供了参考。6 通过对抖振响应产生的位移进行频谱分析对抖振舒适度进行了评估，施工阶段和成桥阶段由风致抖振响应引起的主梁位移不会对桥上人员车辆产生生理与心理上的影响。参考文献略12土木项目论文波形钢腹板PC组合箱梁桥文地形风文抖振响应12
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