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随着经济的迅速发展,悬带桥作为一种新型结构,凭借其独特优势被广泛应用于城镇建设或山区发展。在众多悬带桥结构中,传统悬带桥的构造最为简单,跨越能力也最强。然而,随着跨径的不断增加,悬带桥的风致振动问题也会越来越显著。颤振是大跨度桥梁抗风设计工作中最重要的一环,需要避免其发生。悬带桥的造型特殊,导致其动力特性和颤振性能与传统悬索桥不同,有必要对悬带桥的颤振问题进行重点研究。
针对传统悬带桥的颤振特性,本文以国内一座主跨618m的悬带桥为研究背景,通过数值分析与风洞试验相结合的方式,对悬带桥的颤振特性进行比较全面的研究,主要的研究工作如下:
(1)借助ANSYS对主跨618m的悬带桥和同跨径悬索桥进行模态分析,对比两类桥在动力特性方面存在的差异,结果表明悬带桥前20阶模态中存在多阶侧向和扭转自由度耦合振型,而悬索桥的振型均很纯;然后,考虑吊杆长度和矢跨比的影响,分析多个悬带桥有限元模型的模态,推测吊杆长度的变化导致主梁轴线呈曲线分布是导致悬带桥耦合振型产生的原因。
(2)基于理想平板颤振导数并借助一种三维有限元颤振分析方法,对悬带桥和悬索桥进行颤振分析,结果表明悬带桥的颤振由侧向-扭转耦合模态驱动,悬索桥的颤振由扭转模态驱动;基于准定常理论,考虑与侧向运动有关的颤振导数,对比分析悬带桥和悬索桥的三维颤振性能,发现当悬带桥出现颤振时,断面会产生一定程度的侧向自激力,但对于大多数流线型断面的颤振预测结果影响不大,而悬索桥则不会产生侧向自激力。
(3)推导了悬带桥的两自由度颤振分析数学模型,分别选取5组悬带桥模态组合和1组悬索桥模态组合,对悬带桥和悬索桥进行两自由度颤振分析,并与三维颤振分析结果比较。结果表明悬带桥和悬索桥真实颤振形态的多模态参与效应均很弱,而悬带桥高阶颤振形态的多模态参与效应较强,且悬带桥两自由度颤振分析的模态选取方式与传统悬索桥之间存在巨大差异。
(4)基于悬带桥的实际断面,利用CFD技术识别得到的颤振导数进行两自由度颤振分析和三维颤振分析,并开展了节段模型风洞试验。结果表明:具有实际断面的悬带桥发生颤振时,多模态参与效应仍然较弱;风洞试验的模态选取方式十分重要,数值结果与实验结果吻合良好,利用CFD技术识别得到的颤振导数具有足够的精度。
针对传统悬带桥的颤振特性,本文以国内一座主跨618m的悬带桥为研究背景,通过数值分析与风洞试验相结合的方式,对悬带桥的颤振特性进行比较全面的研究,主要的研究工作如下:
(1)借助ANSYS对主跨618m的悬带桥和同跨径悬索桥进行模态分析,对比两类桥在动力特性方面存在的差异,结果表明悬带桥前20阶模态中存在多阶侧向和扭转自由度耦合振型,而悬索桥的振型均很纯;然后,考虑吊杆长度和矢跨比的影响,分析多个悬带桥有限元模型的模态,推测吊杆长度的变化导致主梁轴线呈曲线分布是导致悬带桥耦合振型产生的原因。
(2)基于理想平板颤振导数并借助一种三维有限元颤振分析方法,对悬带桥和悬索桥进行颤振分析,结果表明悬带桥的颤振由侧向-扭转耦合模态驱动,悬索桥的颤振由扭转模态驱动;基于准定常理论,考虑与侧向运动有关的颤振导数,对比分析悬带桥和悬索桥的三维颤振性能,发现当悬带桥出现颤振时,断面会产生一定程度的侧向自激力,但对于大多数流线型断面的颤振预测结果影响不大,而悬索桥则不会产生侧向自激力。
(3)推导了悬带桥的两自由度颤振分析数学模型,分别选取5组悬带桥模态组合和1组悬索桥模态组合,对悬带桥和悬索桥进行两自由度颤振分析,并与三维颤振分析结果比较。结果表明悬带桥和悬索桥真实颤振形态的多模态参与效应均很弱,而悬带桥高阶颤振形态的多模态参与效应较强,且悬带桥两自由度颤振分析的模态选取方式与传统悬索桥之间存在巨大差异。
(4)基于悬带桥的实际断面,利用CFD技术识别得到的颤振导数进行两自由度颤振分析和三维颤振分析,并开展了节段模型风洞试验。结果表明:具有实际断面的悬带桥发生颤振时,多模态参与效应仍然较弱;风洞试验的模态选取方式十分重要,数值结果与实验结果吻合良好,利用CFD技术识别得到的颤振导数具有足够的精度。