柔性结构风振响应及疲劳研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 21次 | 上传用户:liufuru
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柔性结构风致振动问题随着土木结构规模的扩大而日益突出。经过几十年的发展,结构风工程领域中的结构风振分析和设计已经形成了比较完整和成熟的体系。然而柔性结构的顺应性使结构风致响应增大,同时会产生复杂的风和结构相互耦合作用,超出了传统风振研究方法的应用范围,而需要根据风振机理对柔性结构的风振分析方法进行相应改进。本文以超高层建筑和大跨度桥梁两种典型的柔性结构形式为例,研究了涡激振动和抖振两类主要风振问题,包括超高层建筑的横风向舒适性、涡激振动响应预测以及大跨度桥梁的抖振应力响应和风致疲劳损伤问题。首先,采用基于气动弹性模型的风洞试验研究了超高层建筑的涡激振动。根据涡激振动特点适当改进了风洞试验设计,包括相似关系和模型参数的确定、模型制作方法。风洞试验结果显示涡激振动对超高层建筑横风向响应作用较大,在一定风速范围内可能发生锁定现象。随后,综合考虑到工程应用对计算量和准确性的要求,在超高层建筑涡激振动预测中提出了基于经验的单自由度计算模型。采用这种方法求解的结构顶部加速度响应与实测数据比较,证明了该计算模型能够在锁定风速区域内对涡激稳态响应进行准确预测,为超高层建筑的横风向设计提供一定参考。另一部分是对大跨度桥梁抖振应力响应的研究,分别建立了大跨度桥梁三维精细有限元模型,提出了基于精细有限元模型的节点抖振力计算方法,以及进行了CFD数值模拟方法在抖振气动参数计算中的探索研究。精细有限元模型的主梁加劲梁与实际结构一一对应,比传统简化模型更能反映桥梁细部构造,在此模型基础上分别提出了节点抖振力和节点自激力的计算方法,其中节点抖振力依据主梁表面风压分布,而节点自激力则通过刚体运动关系确定。同时对CFD数值模拟方法在桥梁抖振分析中的应用进行了一定探索,分别采用时均化Reynolds方程和分块高斯-赛德尔耦合算法模拟抖振风压分布和流固耦合效应。以1999年台风York袭击香港过程中青马大桥结构监测系统的实测记录为输入数据,根据所提方法分别采用Newmark法和虚拟激励法求解了青马大桥抖振应力时、频域响应,通过与实测数据比较验证了本文的改进方法的有效性。在桥梁局部抖振应力分析基础上,根据连续损伤力学的思想提出了能够充分考虑疲劳裂纹形成初期和发展以及风场随机性的疲劳损伤累积的非线性分析方法。通过对青马大桥季风引起的抖振疲劳损伤的估算结果可以看出,采用这种方法模拟的疲劳损伤演化过程能够更好地反映材料内部属性在长期循环荷载作用下的变化,可以为大跨度桥梁风振疲劳损伤分析提供一定参考。
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