大跨斜拉桥风荷载模拟及施工阶段抖振响应分析
西安建筑科技大学硕士学位论文
目录
第1章绪论 (1)
1.1研究背景及意义 (1)
1.2桥梁抗风理论的发展 (2)
1.3 CFD在桥梁工程中的应用 (4)
1.4 风对桥梁结构的作用 (5)
1.4.1风对桥梁结构的静力作用 (5)
1.4.2风对桥梁结构的动力作用 (6)
1.5本文研究内容 (6)
第2章大跨斜拉桥三分力系数的数值模拟研究 (9)
2.1流体力学控制方程 (9)
2.2控制方程的离散化 (10)
2.2.1离散方法 (10)
2.2.2离散格式 (11)
2.3 湍流模型 (12)
2.3.1单方程（Spalart-Allmaras）模型 (12)
2.3.2标准k-ε模型 (13)
2.3.3 RNG k-ε模型 (13)
2.4 鳌江四桥主梁断面三分力系数的数值模拟研究 (14)
2.4.1 三分力系数定义 (14)
2.4.2 鳌江四桥主梁断面三分力系数模拟 (14)
2.4.3 模拟结果分析 (16)
2.5 气动措施对三分力系数的影响 (18)
2.5.1风嘴对三分力系数的影响 (18)
2.5.2 中央开槽对三分力系数的影响 (22)
2.6 附属设施对三分力系数的影响 (26)
2.7 施工阶段三分力系数的曲线拟合 (29)
2.8本章小结 (30)
第3章大跨斜拉桥随机风场模拟 (31)
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II 3.1 自然风的基本特性 (31)
3.1.1 平均风的基本特性 (32)
3.1.2 脉动风的基本特性 (34)
3.2 谐波叠加法 (36)
3.3 参数选取讨论 (37)
3.4 大跨斜拉桥的随机风场模拟 (39)
3.4.1 主梁的随机风场模拟 (39)
3.4.2 主塔的随机风场模拟 (41)
3.5 本章小结 (43)
第4章大跨斜拉桥动力特性分析 (45)
4.1工程概况 (45)
4.2大跨斜拉桥有限元建模 (47)
4.3大跨斜拉桥施工阶段动力分析 (49)
4.4本章小结 (55)
第5章大跨斜拉桥施工阶段抖振响应分析 (57)
5.1风荷载的时域化 (57)
5.1.1静风荷载 (57)
5.1.2抖振风荷载 (58)
5.1.3气动自激力 (58)
5.1.4线性抖振的时域分析 (61)
5.2施工阶段抖振时域分析 (62)
5.2.1最大单悬臂状态 (62)
5.2.2最大双悬臂状态 (66)
5.3自激力的影响 (70)
5.4本章小结 (71)
第6 章结论与展望 (73)
6.1主要研究成果及结论 (73)
6.2研究展望 (74)
参考文献 (75)
致谢 (79)
附录 (81)
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第1章 绪论
1.1研究背景及意义
桥梁是城市生命线工程的重要组成部分，桥梁结构遭受风灾影响造成的损伤或破坏，将带来非常严重的后果[1]。最为人熟知的桥梁风毁事件是美国塔科马悬索桥风毁事故。1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马(Tacoma)悬索桥(主跨853m)建成后仅过了4个月，在八级大风作用下就发生了强烈的风致振动，引起了桥梁结构严重破坏，从而造成了桥梁的风毁。尽管这次事故没有造成人员的死亡，但这次事件给世界桥梁工程师们敲响了警钟。塔科马悬索桥风毁事故发生之后，世界各地桥梁风工程工作者们对造成事故可能发生的原因进行了研究，经过多次试验模拟分析，人们才认识到风对结构的作用不仅仅只有静力的作用，风荷载对桥梁结构也会产生动力作用，并提出桥梁风致振动破坏的概念。美国空气动力学家西奥多·冯·卡门为了研究塔科马悬索桥发生风毁的原因，建立了该桥的风洞试验模型，并在加州理工学院的风洞实验室进行模型测试，结果证明，塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶是卡门涡街引起吊桥共振。在旧塔科马悬索桥建造之初，原设计为了求美观及省钱，使用了过轻的物料，造成其发生共振的破坏频率与卡门涡街的共振频率接近，从而引起该桥在强风下剧烈摆动，导致吊桥崩塌。图1.1为Tacoma 悬索桥风毁图及美国太空总署拍摄的智利海岸的卡门涡街。
Tacoma 悬索桥风振破坏 美国太空总署拍摄的智利海岸的卡门涡街
图1.1 Tacoma 悬索桥风毁图
经历塔科马悬索桥风毁事故后，人们在大跨度桥梁设计中加强了对桥梁抗风稳定性关注，以避免桥梁在运营期间不会发生由于颤振而造成桥梁的风毁[2]。但是，
桥梁风致振动的其他形式的病害还是时有发生。例如日本东京湾通道桥就是由于