纜索局部振動(dòng)對(duì)千米級(jí)跨徑斜拉橋顫振特性的影響

纜索的局部振動(dòng)對(duì)斜拉橋顫振特性的影響程度和影響機(jī)理，是大跨徑斜拉橋顫振考察不可回避的問題。處于風(fēng)場中的纜索，作為張力弦局部振動(dòng)的理論計(jì)算和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M一直是橋梁風(fēng)工程難以解決的問題。本項(xiàng)目引入了纜索的多鏈桿模型，計(jì)入幾何剛度，建立可反映纜索局部振動(dòng)的纜索模型。采用線性阻尼模擬結(jié)構(gòu)主要振型的阻尼，針對(duì)不同建筑材料的橋梁實(shí)現(xiàn)全橋結(jié)構(gòu)阻尼的有限元模擬。利用全橋三維顫振分析的通用有限元程序方法，考察主跨600m級(jí)跨徑斜拉橋、主跨1000m級(jí)跨徑斜拉橋、主跨2x600m級(jí)三塔斜拉橋的動(dòng)力特性和顫振特性，以及纜索局部振動(dòng)對(duì)動(dòng)力特性和顫振特性的影響。 對(duì)于主跨600m級(jí)跨徑的斜拉橋，纜索局部振動(dòng)對(duì)全橋動(dòng)力特性有明顯影響，大量纜索局部振動(dòng)模態(tài)出現(xiàn)在全橋主要模態(tài)中，一階和二階纜索正弦半波以索面同相位振動(dòng)出現(xiàn)在全橋整體模態(tài)中。纜索局部振動(dòng)對(duì)動(dòng)力特性的固有頻率有一定幅度的影響。對(duì)于不同的主要模態(tài)，幅度達(dá)1-10%。顫振臨界風(fēng)速對(duì)固有頻率的敏感性體現(xiàn)在小幅的固有頻率的改變將導(dǎo)致較大的顫振臨界風(fēng)速的變化。全橋的三維顫振分析揭示了纜索局部振動(dòng)對(duì)600m級(jí)跨徑橋梁的顫振特性有顯著的影響。計(jì)入纜索局部振動(dòng)可使主跨600m級(jí)跨徑斜拉橋顫振臨界風(fēng)速提高超過20%。顫振形態(tài)中纜索主要出現(xiàn)的是一階正弦半波的局部振動(dòng)。影響機(jī)理表現(xiàn)為纜索局部振動(dòng)通過改變?nèi)珮蛘w振動(dòng)的頻率和局部振動(dòng)振型參與的氣動(dòng)彈性作用對(duì)橋梁整體顫振臨界狀態(tài)產(chǎn)生影響。 通過對(duì)主跨1000m級(jí)跨徑雙塔斜拉橋的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)橋梁整體固有模態(tài)中出現(xiàn)了較多高階正弦半波的纜索局部振動(dòng)。顫振形態(tài)中有二階正弦半波纜索局部振動(dòng)出現(xiàn)。同時(shí)顫振分析的迭代計(jì)算中模態(tài)的跟蹤很困難，特征值的提取亦較困難，須要反復(fù)更改頻率搜索范圍，才能得到結(jié)果，且不能排除特征值遺漏情形。對(duì)于主跨2x600m級(jí)的三塔斜拉橋，固有模態(tài)和顫振模態(tài)相對(duì)于雙塔斜拉橋呈現(xiàn)出不同的特征，顫振形態(tài)為反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)為主。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造了邊中塔高比作為影響因素的不同的工況，籍以反映邊中塔高比在斜拉橋立面方案設(shè)計(jì)中的合理變化范圍，并保持雙主跨跨徑不變。對(duì)此模型系列進(jìn)行計(jì)算，討論了三塔斜拉橋邊中塔高比對(duì)橋梁動(dòng)力特性以及顫振特性的影響。 探討了通過風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M纜索局部振動(dòng)對(duì)顫振特性影響的技術(shù)途徑，認(rèn)為在現(xiàn)有風(fēng)洞試驗(yàn)條件下，全橋風(fēng)洞試驗(yàn)在模擬全橋整體動(dòng)力特性的時(shí)候，很難同時(shí)模擬纜索的張力和質(zhì)量分布，張力模擬和質(zhì)量 2100433B

斜拉橋的三維顫振有限元分析一般將纜索視為單根鏈桿，全橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)也不模擬纜索局部振動(dòng)的振型。事實(shí)上，當(dāng)跨徑增大后斜拉橋的斜拉索在顫振運(yùn)動(dòng)過程中很難保持直線，纜索作為張力弦自身的振型會(huì)表現(xiàn)出來。纜索的局部振動(dòng)引起的纜索氣動(dòng)彈性作用對(duì)大跨度，特別是千米級(jí)跨徑斜拉橋的顫振行為會(huì)產(chǎn)生顯著影響。為此，本項(xiàng)目第一步建立反映纜索自身振型的有限元模型，并計(jì)及纜索自激氣動(dòng)力，采用全模態(tài)直接求解方法，提取顫振運(yùn)動(dòng)方程的特征值，得到顫振模態(tài)，從而建立反映纜索自身振型的橋梁三維顫振分析方法，從有限元分析的角度考察纜索局部振動(dòng)對(duì)橋梁顫振特性的影響。第二步設(shè)計(jì)專門的可以反映纜索局部振動(dòng)振型的全橋模型，通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法考察纜索振型對(duì)顫振特性的影響，驗(yàn)證有限元分析的結(jié)果。運(yùn)用理論分析和風(fēng)洞試驗(yàn)兩種途徑探討纜索局部振動(dòng)引起的氣動(dòng)彈性作用對(duì)千米級(jí)跨徑斜拉橋顫振行為影響的程度和機(jī)理，為此類大跨度跨海橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 斜拉橋跨徑發(fā)展和關(guān)鍵問題

1.1 斜拉橋的發(fā)展歷程

1.2 斜拉橋基本結(jié)構(gòu)體系

1.3 斜拉橋跨徑發(fā)展的性能演變

1.4 千米級(jí)斜拉橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

2 千米級(jí)斜拉橋設(shè)計(jì)理論與方法

2.1 壽命周期設(shè)計(jì)理論和基本過程

2.2 基于性能的設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用

2.3 極端作用及其組合設(shè)計(jì)方法

3 千米級(jí)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系與關(guān)鍵參數(shù)影響

3.1 千米級(jí)斜拉橋合理結(jié)構(gòu)體系

3.2 千米級(jí)斜拉橋關(guān)鍵參數(shù)影響分析

3.3 千米級(jí)斜拉橋結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

4 千米級(jí)斜拉橋風(fēng)作用特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)

4.1 斜拉索靜風(fēng)風(fēng)荷載特性研究

4.2 橋塔氣動(dòng)力研究

4.3 非線性靜動(dòng)力響應(yīng)研究

4.4 千米級(jí)斜拉橋風(fēng)荷載及合理體系研究

4.5 千米級(jí)斜拉橋風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)特性試驗(yàn)研究

4.6 千米級(jí)斜拉橋安全行車風(fēng)速

5 千米級(jí)斜拉橋抗震設(shè)計(jì)

5.1 國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范比較研究

5.2 部分已建大跨度纜索支撐橋梁的抗震設(shè)計(jì)

5.3 千米級(jí)斜拉橋的地震反應(yīng)特性及簡化計(jì)算

5.4 跨度增大對(duì)千米級(jí)斜拉橋地震反應(yīng)的影響

5.5 群樁基礎(chǔ)的非線性地震反應(yīng)分析

6 千米級(jí)斜拉橋船舶撞擊作用和設(shè)計(jì)方法

6.1 大跨徑橋梁船撞事故

6.2 船撞作用下非線性動(dòng)力響應(yīng)特性

6.3 船撞力實(shí)用計(jì)算方法

7 千米級(jí)斜拉橋在汽車作用下的結(jié)構(gòu)性能

7.1 各國規(guī)范汽車作用比較研究

7.2 汽車活載計(jì)算分析方法適用性分析

7.3 千米級(jí)斜拉橋汽車作用非線性響應(yīng)特性

7.4 千米級(jí)斜拉橋汽車作用簡化計(jì)算方法

7.5 千米級(jí)斜拉橋車輛動(dòng)力放大系數(shù)

8 千米級(jí)斜拉橋彈塑性穩(wěn)定性能研究

8.1 橋梁穩(wěn)定問題及其分析方法

8.2 千米級(jí)斜拉橋彈性穩(wěn)定分析

8.3 千米級(jí)斜拉橋彈塑性穩(wěn)定特性

8.4 彈塑性穩(wěn)定安全系數(shù)的合理取值

9 千米級(jí)斜拉橋極端作用特性及設(shè)計(jì)方法

9.1 千米級(jí)斜拉橋抗火設(shè)計(jì)

9.2 千米級(jí)斜拉橋拉索系統(tǒng)強(qiáng)健性設(shè)計(jì)

9.3 千米級(jí)斜拉橋龍卷風(fēng)作用設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)2100433B

《千米級(jí)斜拉橋:結(jié)構(gòu)體系、性能與設(shè)計(jì)》針對(duì)千米級(jí)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系、性能和設(shè)計(jì)方法等問題，以主跨1088m蘇通大橋?yàn)榛A(chǔ)，拓展到主跨1308m、1500m、1800m等跨度的千米級(jí)斜拉橋，研究了千米級(jí)斜拉橋設(shè)計(jì)理論和方法、結(jié)構(gòu)體系與關(guān)鍵參數(shù)、風(fēng)作用特性與結(jié)果響應(yīng)、抗震設(shè)計(jì)、船舶撞擊作用和設(shè)計(jì)方法、汽車作用下結(jié)構(gòu)性能、彈塑性穩(wěn)定性能、極端作用特性及設(shè)計(jì)方法等?！肚准?jí)斜拉橋:結(jié)構(gòu)體系、性能與設(shè)計(jì)》系統(tǒng)解決了千米級(jí)斜拉橋設(shè)計(jì)理論、方法、參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)方面關(guān)鍵問題，可為同類橋型的建設(shè)提供參考和借鑒。

《千米級(jí)斜拉橋:結(jié)構(gòu)體系、性能與設(shè)計(jì)》可供從事橋梁設(shè)計(jì)、施工及相關(guān)研究人員閱讀，也可供高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)研究生和高年級(jí)本科生閱讀。