山区峡谷桁梁桥抖振特性研究

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桁梁具有镂空、截面不连续、高宽比较大的几何特点,这使得桁梁桥的气动力跨向分布研究具有一定难度。同时,《公路桥梁抗风设计规范》中的紊流风谱不足以描述西部山区峡谷的脉动风特性。因此,本文首先利用脉动风、平均风和风剖面观测设备,对西部山区峡谷大跨桁梁桥址进行了峡谷风实测,统计了山区峡谷风特性。然后,通过理论推导建立了桁梁抖振力特性识别方法,利用格栅紊流动态天平测力试验验证了方法的可行性。随后,通过改变来流特性和桁梁几何参数,研究了五种参数对二维一波数气动导纳和抖振力跨向相干性的影响,给出了桁梁抖振力特性经验拟合模型。最后,通过对比全桥气弹模型风洞试验结果,验证了经验拟合模型的可靠性,并结合山区峡谷风特性和桁梁抖振力特性经验模型,分析了脉动风功率谱、跨向相干函数和气动导纳对大跨桁梁桥抖振位移响应的影响。本文的具体研究内容及主要结论如下:1.对三座西部山区峡谷大跨桁梁桥桥址进行了紊流和平均风观测,统计了紊流风特性(阵风因子、紊流度、紊流积分尺度、紊流功率谱)以及平均风特性(平均风速风向、风攻角、平均风剖面)。统计结果表明,西部山区峡谷的紊流强度远高于规范范围,紊流积分尺度与规范特性有显著区别,脉动风谱的峰值频率与谱值均高于规范风谱。山区峡谷的平均风向基本与峡谷走向平行,主导风向受小地形影响。平均风攻角均值分布广泛(-10°~+20°)。风剖面形态与规范有一定差异。2.介绍了各向同性均匀紊流理论,明确区分了不同形式气动导纳的区别,总结了经典的气动导纳与抖振力跨向相干经验模型,对比了经典相干模型在桁架梁上的适用性。将桁架梁等效为连续截面,提出了适用于桁架梁的三维两波数气动导纳识别方法,并推导了等效桁梁截面抖振力的跨向相干和相关公式。通过格栅紊流刚性桁梁模型动态天平测力风洞试验验证了该方法的有效性,获得了桁架梁等效截面的三维两波数气动导纳与二维一波数气动导纳,并指出该方法适用于任意钝体桥梁断面。3.通过改变紊流度、来流攻角、宽高比、实面积比和人行道栏杆透风率,研究了紊流特性与桁梁气动外形对桁梁气动导纳与抖振力跨向相干性的影响,并总结了主要影响规律。根据抖振力影响因素风洞试验结果,拟合了考虑抖振力影响因素的桁梁等效截面二维气动导纳经验模型和抖振力跨向相干经验函数。4.相干函数分别使用Davenport相干函数、Karman跨向脉动风相干函数和本文拟合的抖振力跨向相干经验函数,气动导纳分别使用1值、Sears函数和本文拟合的等效桁架截面二维气动导纳经验函数,脉动风功率谱分别使用Simiu谱、Panofsky谱、本文实测的桥址脉动风谱与本文拟合的山区峡谷统一脉动风谱,采用SRSS方法对三座大跨桁梁桥进行了抖振位移响应频域计算,研究了相干函数、二维气动导纳与脉动风功率谱的选取对抖振位移响应计算结果的影响以及贡献大小,并探讨了抖振力影响因素对抖振位移响应的作用。
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