基于SHMS的大跨度懸索橋風(fēng)致抖振響應(yīng)實測研究.pdf

1、作為橋梁抖振精細(xì)化研究的重要手段之一，開展既有大跨度橋梁的橋址區(qū)近地風(fēng)特性及抖振響應(yīng)的現(xiàn)場實測研究，可用于檢驗現(xiàn)有橋梁抖振響應(yīng)計算理論、確定橋梁抖振計算中的關(guān)鍵影響因素以及分析大跨橋梁結(jié)構(gòu)的抖振性能及其機理等，因而具有重大的理論和實際意義。另一方面，隨著人們對結(jié)構(gòu)安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注以及對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域研究工作的不斷深入，國內(nèi)外許多重要的大跨度橋梁都已建立或正在建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(SHIMS)，以期對結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為

2、和環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)測。這些SHMS中大都包含了風(fēng)環(huán)境監(jiān)測和結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測子系統(tǒng)在內(nèi)，因此為大跨橋梁的抖振響應(yīng)實測案例研究提供了良好的平臺。 本文以“麥莎”臺風(fēng)作用下的潤揚長江公路大橋南汊懸索橋(簡稱潤揚懸索橋)為研究對象，緊緊圍繞大跨度懸索橋SHMS和風(fēng)致抖振響應(yīng)這兩大橋梁工程領(lǐng)域非?；钴S的研究熱點，利用動靜載試驗數(shù)據(jù)以及SHMS中風(fēng)速儀和加速度傳感器實時采集的風(fēng)特性和結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，理論與試驗相結(jié)合，開展大跨度懸索橋體系動力

3、特性及其影響因素、有限元建模策略、橋址區(qū)實測近地風(fēng)特性、風(fēng)致抖振時域分析實用方法及現(xiàn)場實測等方面的研究，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容： (1)基于ANSYS平臺實現(xiàn)了大跨度懸索橋這一典型非線性結(jié)構(gòu)體系的模態(tài)分析方法，在此基礎(chǔ)上深入研究了設(shè)中央扣的大跨度懸索橋體系的動力特性及其影響因素。其中重點研究了國內(nèi)首次采用的剛性中央扣的多精度模擬技術(shù)及其對大跨度懸索橋動力特性的影響，為今后剛性中央扣結(jié)構(gòu)在大跨度懸索橋中的廣泛應(yīng)用提供參考，同時

4、還研究了土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用因素對大跨度懸索橋動力特性的影響。研究結(jié)果為該橋模型修正和風(fēng)致抖振研究工作提供了理論依據(jù)。 (2)基于靈敏度的物理意義以及罰函數(shù)的思想，提出了一種結(jié)構(gòu)有限元模型修正的新方法。該法以自振特性為目標(biāo)函數(shù)，以結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)為待修正參數(shù)，但其中設(shè)計參數(shù)的上下限主要根據(jù)測試所得靜力響應(yīng)值和理論值的對比以及工程經(jīng)驗來確定，因此修正后的模型的靜力響應(yīng)也必定與實測結(jié)果更加吻合。采用SHMS實測數(shù)據(jù)及提出的方法對潤揚懸索

5、橋有限元模型進行了修正與驗證，得到了能夠較好反映大橋整體動靜力性能的有限元基準(zhǔn)模型，為該橋的風(fēng)致抖振響應(yīng)有限元分析工作打下了堅實的基礎(chǔ)。 (3)以2005年8月襲擊潤揚懸索橋的臺風(fēng)“麥莎”為例，深入研究了該橋址區(qū)的近地強風(fēng)特性。利用臺風(fēng)經(jīng)過時SHMS中的風(fēng)速儀實時采集的數(shù)據(jù)，對該強風(fēng)樣本進行了深入分析，得到了平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、風(fēng)速沿高度變化規(guī)律、紊流強度、陣風(fēng)因子、紊流積分尺度、紊流功率譜密度函數(shù)等強風(fēng)特性，并將實測風(fēng)特性與相

6、關(guān)規(guī)范進行了對比研究。分析結(jié)果為潤揚懸索橋風(fēng)致抖振分析提供了實測依據(jù)，同時為確定適合我國東部沿海地區(qū)的強風(fēng)特性及風(fēng)譜模型提供了參考。 (4)以遭受“麥莎”臺風(fēng)襲擊的潤揚懸索橋為例，進行了臺風(fēng)作用下大跨度懸索橋抖振響應(yīng)的現(xiàn)場實測案例研究。采用時頻分析和統(tǒng)計分析等方法，結(jié)合以上“麥莎”臺風(fēng)實測數(shù)據(jù)，對該臺風(fēng)經(jīng)過時SHMS中加速度傳感器實時采集的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進行了處理與分析，主要研究內(nèi)容包括主梁和纜索的振動響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系、振動響

7、應(yīng)的RMS分析、頻譜分析、上下游纜索振動響應(yīng)的對比分析以及南北岸纜索振動響應(yīng)的對比分析等。分析結(jié)果為潤揚懸索橋抖振性能的評價提供了實測依據(jù)，同時為檢驗現(xiàn)有橋梁抖振響應(yīng)計算理論提供了實測數(shù)據(jù)平臺。 (5)對R．H．Scanlan教授基于平均風(fēng)分解法的斜風(fēng)作用下大跨度橋梁抖振響應(yīng)分析方法進行了改進，建立了適于SHMS采集數(shù)據(jù)的風(fēng)分解法。在此基礎(chǔ)上以大型計算軟件MATLAB和ANSYS為分析平臺，發(fā)展了一套斜風(fēng)作用下考慮了氣動自激力影

8、響的大跨度橋梁抖振響應(yīng)時域分析實用方法，編制了全部相關(guān)計算程序，實現(xiàn)了直接由SHMS實測風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)得到結(jié)構(gòu)的抖振響應(yīng)。研究成果成功地應(yīng)用于實測斜風(fēng)作用下潤揚懸索橋的抖振響應(yīng)有限元分析。 (6)在上述研究的基礎(chǔ)上，將基于本文抖振時域分析方法的有限元數(shù)值模擬結(jié)果與基于SHMS的現(xiàn)場實測案例研究結(jié)果進行對比和總結(jié)分析，驗證了本文基于斜風(fēng)分解法的大跨度懸索橋抖振響應(yīng)時域分析方法的可靠性和有效性，探討了大跨度懸索橋抖振響應(yīng)分析的關(guān)鍵影響因