纜索局部振動對千米級跨徑斜拉橋顫振特性的影響結題摘要

纜索的局部振動對斜拉橋顫振特性的影響程度和影響機理，是大跨徑斜拉橋顫振考察不可回避的問題。處于風場中的纜索，作為張力弦局部振動的理論計算和風洞實驗模擬一直是橋梁風工程難以解決的問題。本項目引入了纜索的多鏈桿模型，計入幾何剛度，建立可反映纜索局部振動的纜索模型。采用線性阻尼模擬結構主要振型的阻尼，針對不同建筑材料的橋梁實現(xiàn)全橋結構阻尼的有限元模擬。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級跨徑斜拉橋、主跨1000m級跨徑斜拉橋、主跨2x600m級三塔斜拉橋的動力特性和顫振特性，以及纜索局部振動對動力特性和顫振特性的影響。 對于主跨600m級跨徑的斜拉橋，纜索局部振動對全橋動力特性有明顯影響，大量纜索局部振動模態(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出現(xiàn)在全橋整體模態(tài)中。纜索局部振動對動力特性的固有頻率有一定幅度的影響。對于不同的主要模態(tài)，幅度達1-10%。顫振臨界風速對固有頻率的敏感性體現(xiàn)在小幅的固有頻率的改變將導致較大的顫振臨界風速的變化。全橋的三維顫振分析揭示了纜索局部振動對600m級跨徑橋梁的顫振特性有顯著的影響。計入纜索局部振動可使主跨600m級跨徑斜拉橋顫振臨界風速提高超過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。影響機理表現(xiàn)為纜索局部振動通過改變全橋整體振動的頻率和局部振動振型參與的氣動彈性作用對橋梁整體顫振臨界狀態(tài)產生影響。 通過對主跨1000m級跨徑雙塔斜拉橋的計算，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。顫振形態(tài)中有二階正弦半波纜索局部振動出現(xiàn)。同時顫振分析的迭代計算中模態(tài)的跟蹤很困難，特征值的提取亦較困難，須要反復更改頻率搜索范圍，才能得到結果，且不能排除特征值遺漏情形。對于主跨2x600m級的三塔斜拉橋，固有模態(tài)和顫振模態(tài)相對于雙塔斜拉橋呈現(xiàn)出不同的特征，顫振形態(tài)為反對稱扭轉為主。在此基礎上，構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計中的合理變化范圍，并保持雙主跨跨徑不變。對此模型系列進行計算，討論了三塔斜拉橋邊中塔高比對橋梁動力特性以及顫振特性的影響。 探討了通過風洞試驗模擬纜索局部振動對顫振特性影響的技術途徑，認為在現(xiàn)有風洞試驗條件下，全橋風洞試驗在模擬全橋整體動力特性的時候，很難同時模擬纜索的張力和質量分布，張力模擬和質量 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，全橋模型風洞試驗也不模擬纜索局部振動的振型。事實上，當跨徑增大后斜拉橋的斜拉索在顫振運動過程中很難保持直線，纜索作為張力弦自身的振型會表現(xiàn)出來。纜索的局部振動引起的纜索氣動彈性作用對大跨度，特別是千米級跨徑斜拉橋的顫振行為會產生顯著影響。為此，本項目第一步建立反映纜索自身振型的有限元模型，并計及纜索自激氣動力，采用全模態(tài)直接求解方法，提取顫振運動方程的特征值，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對橋梁顫振特性的影響。第二步設計專門的可以反映纜索局部振動振型的全橋模型，通過風洞試驗的方法考察纜索振型對顫振特性的影響，驗證有限元分析的結果。運用理論分析和風洞試驗兩種途徑探討纜索局部振動引起的氣動彈性作用對千米級跨徑斜拉橋顫振行為影響的程度和機理，為此類大跨度跨海橋梁的抗風設計提供依據(jù)。

1 斜拉橋跨徑發(fā)展和關鍵問題

1.1 斜拉橋的發(fā)展歷程

1.2 斜拉橋基本結構體系

1.3 斜拉橋跨徑發(fā)展的性能演變

1.4 千米級斜拉橋設計的關鍵問題

2 千米級斜拉橋設計理論與方法

2.1 壽命周期設計理論和基本過程

2.2 基于性能的設計方法及其應用

2.3 極端作用及其組合設計方法

3 千米級斜拉橋結構體系與關鍵參數(shù)影響

3.1 千米級斜拉橋合理結構體系

3.2 千米級斜拉橋關鍵參數(shù)影響分析

3.3 千米級斜拉橋結構方案設計

4 千米級斜拉橋風作用特性及結構響應

4.1 斜拉索靜風風荷載特性研究

4.2 橋塔氣動力研究

4.3 非線性靜動力響應研究

4.4 千米級斜拉橋風荷載及合理體系研究

4.5 千米級斜拉橋風致振動響應特性試驗研究

4.6 千米級斜拉橋安全行車風速

5 千米級斜拉橋抗震設計

5.1 國內外橋梁抗震設計規(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計

5.3 千米級斜拉橋的地震反應特性及簡化計算

5.4 跨度增大對千米級斜拉橋地震反應的影響

5.5 群樁基礎的非線性地震反應分析

6 千米級斜拉橋船舶撞擊作用和設計方法

6.1 大跨徑橋梁船撞事故

6.2 船撞作用下非線性動力響應特性

6.3 船撞力實用計算方法

7 千米級斜拉橋在汽車作用下的結構性能

7.1 各國規(guī)范汽車作用比較研究

7.2 汽車活載計算分析方法適用性分析

7.3 千米級斜拉橋汽車作用非線性響應特性

7.4 千米級斜拉橋汽車作用簡化計算方法

7.5 千米級斜拉橋車輛動力放大系數(shù)

8 千米級斜拉橋彈塑性穩(wěn)定性能研究

8.1 橋梁穩(wěn)定問題及其分析方法

8.2 千米級斜拉橋彈性穩(wěn)定分析

8.3 千米級斜拉橋彈塑性穩(wěn)定特性

8.4 彈塑性穩(wěn)定安全系數(shù)的合理取值

9 千米級斜拉橋極端作用特性及設計方法

9.1 千米級斜拉橋抗火設計

9.2 千米級斜拉橋拉索系統(tǒng)強健性設計

9.3 千米級斜拉橋龍卷風作用設計

參考文獻2100433B

《千米級斜拉橋:結構體系、性能與設計》針對千米級斜拉橋結構體系、性能和設計方法等問題，以主跨1088m蘇通大橋為基礎，拓展到主跨1308m、1500m、1800m等跨度的千米級斜拉橋，研究了千米級斜拉橋設計理論和方法、結構體系與關鍵參數(shù)、風作用特性與結果響應、抗震設計、船舶撞擊作用和設計方法、汽車作用下結構性能、彈塑性穩(wěn)定性能、極端作用特性及設計方法等。《千米級斜拉橋:結構體系、性能與設計》系統(tǒng)解決了千米級斜拉橋設計理論、方法、參數(shù)、標準方面關鍵問題，可為同類橋型的建設提供參考和借鑒。

《千米級斜拉橋:結構體系、性能與設計》可供從事橋梁設計、施工及相關研究人員閱讀，也可供高等學校相關專業(yè)研究生和高年級本科生閱讀。