基于SHMS的大跨度懸索橋風(fēng)致抖振時域分析.pdf

1、對于大跨度纜索承重橋梁而言，隨著橋跨的不斷增加，結(jié)構(gòu)剛度大幅下降，使得風(fēng)致振動對其安全性的影響尤為重要。目前，通過對橋梁截面進行優(yōu)化和提高結(jié)構(gòu)剛度，已經(jīng)基本可以避免大跨橋梁在設(shè)計使用期限內(nèi)發(fā)生風(fēng)致顫振，然而隨著跨度及橋?qū)挼牟粩嘣黾樱沟脴蛄猴L(fēng)致抖振問題變得日益突出，橋梁抖振分析研究也因此成為橋梁風(fēng)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。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

2、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)(SHMS)，以期對結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和環(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)，因此為基于實測的大跨橋梁抖振響應(yīng)研究提供了良好的平臺。 本文以“麥莎”臺風(fēng)和“卡努”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SHMS中風(fēng)速儀實時采集的數(shù)

3、據(jù)，開展大跨度懸索橋橋址區(qū)實測近地風(fēng)特性及其風(fēng)場模擬、有限元建模策略及其動力特性、風(fēng)致抖振非線性時域分析實用方法及其應(yīng)用等研究，主要包括以下幾個方面研究工作和成果： (1).基于SHMS深入研究了潤揚懸索橋橋址區(qū)的強風(fēng)特性。2005年8月與9月期間，臺風(fēng)“麥莎”和“卡努”分別襲擊江蘇，潤揚懸索橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(SHMS)記錄了經(jīng)過橋址區(qū)的兩個強風(fēng)樣本。通過對實測風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的分析，得到了平均風(fēng)速和風(fēng)向、湍流強度、湍流積分尺度、

4、湍流功率譜密度函數(shù)等強風(fēng)特性，并對實測的脈動風(fēng)譜離散數(shù)據(jù)進行了非線性最小二乘法擬合，得到了擬合自譜曲線及相應(yīng)的擬合參數(shù)，為該橋的抗風(fēng)研究提供基本性數(shù)據(jù)。 (2).基于橋址區(qū)實測強風(fēng)特性，建立了潤揚懸索橋橋址區(qū)的三維脈動風(fēng)場。針對潤揚懸索橋的結(jié)構(gòu)形式和振動形態(tài)的特點，結(jié)合自然風(fēng)的相關(guān)特性，給出了一種簡化的三維脈動風(fēng)場模擬方法。在此基礎(chǔ)上運用諧波合成法和FFT技術(shù)，進行了潤揚懸索橋橋址區(qū)三維脈動風(fēng)場的模擬。其中模擬目標(biāo)功率譜采用了上

5、述兩次臺風(fēng)實測的數(shù)據(jù)，運用非線性最小二乘法擬合得到的擬合譜。通過對模擬出的風(fēng)速樣本與目標(biāo)值進行對比分析，驗證了該風(fēng)譜模擬方法的有效性和可靠性。 (3).在對現(xiàn)有大跨度橋梁抖振分析方法進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了大跨度橋梁非線性抖振時域分析程序。介紹了大跨度橋梁非線性抖振時域分析中三種不同風(fēng)荷載的分析處理方法。其中為了實現(xiàn)氣動自激力的時域化，基于準(zhǔn)定常氣動力模型和非線性動力學(xué)理論，導(dǎo)出與其等價的12階單元氣動阻尼矩陣和氣動剛度矩陣，在

6、此基礎(chǔ)上將ANSYS中自定義單元Matrix27的剛度或阻尼矩陣描述成風(fēng)速和振動頻率的函數(shù)，以模擬橋面單元氣動阻尼矩陣和氣動剛度矩陣。基于通用有限元分析軟件ANSYS編制了相應(yīng)的大跨度橋梁非線性時域抖振動力分析程序，實現(xiàn)了直接由三維脈動風(fēng)速時程獲得結(jié)構(gòu)的非線性抖振時程響應(yīng)。 (4).在上述研究基礎(chǔ)上，進行了潤揚懸索橋抖振時域響應(yīng)特征及其關(guān)鍵影響因素研究。采用子空間迭代法分析了潤揚懸索橋這一典型大跨柔性結(jié)構(gòu)的動力特性，進而對其進行