行人对大跨柔性人行桥抗风性能的影响研究

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伴随着新型轻质材料在桥梁建造上的广泛应用,大跨柔性人行桥成为我国人行桥建设领域的重点发展对象。大跨柔性人行桥因刚度低和阻尼小,对风荷载更加敏感。人行桥发生风致振动会影响桥上行人的舒适性,严重的甚至会引起桥梁损坏。此外,随着城镇化率越来越高,人行桥承载行人流通的负担也越来越大。人行桥多架于城市高空和深山景区中,一方面面临复杂的风环境,另一方面桥上行人的存在势必会对桥梁的抗风性能造成影响。然而目前关于行人对人行桥抗风性能的影响研究几乎还处于空白状态。因此,非常有必要研究行人对大跨柔性人行桥抗风性能的影响。本文首先回顾了人行桥和桥梁抗风的发展,综述了桥梁抗风的基本理论;其次针对如何研究行人对大跨柔性人行桥抗风性能影响的问题,以厦门市某大跨柔性人行桥为工程背景,通过有限元仿真对人行桥分别进行静、动力分析;然后通过风洞试验法系统地研究了不同行人密度和行人位置条件下大跨柔性人行桥三分力系数和涡振性能的变化,具体的研究工作如下:(1)结合人行桥构件的材料性质和特点,采用ANSYS软件建立人行桥的有限元模型。首先对主梁进行了内力分析,然后在单独作用静风荷载情况下对主梁的位移响应进行了分析。结果表明静风荷载对主梁的影响几乎可以忽略不计。(2)基于前述已经建立的三维有限元模型,进一步对人行桥进行动力分析,得到其结构的频率和振型等固有特性,为风洞试验节段模型的制作提供了数据依据。接着将行人看作是依附在桥面的点状物,和人行桥形成人-桥系统,以行人质量作为主要变化参数,对人-桥系统的固有特性变化进行了研究。结果表明行人质量的增加对人-桥系统的固有特性影响很小,所以在后续的风洞试验研究中不需要考虑行人的质量。(3)在有限元分析得到人行桥特性的基础上,以行人密度和行人横向排列位置作为主梁断面三分力系数分析的影响因素,通过风洞试验与CFD相结合的研究方法,分别对两侧不同风嘴角度入流的主梁断面三分力系数进行研究。试验和模拟的结果表明在负风攻角范围内,行人密度是阻力系数变化的主导因素;而在正风攻角范围内,风攻角是阻力系数变化的主导因素。并且研究结果建议桥上行人密度不要超过0.5人/m2。(4)通过前文研究中的理论分析和试验研究,进而采用风洞试验对主梁的涡振性能进行研究分析。根据模态分析结果和相似准则制作测振试验模型,通过风洞试验对主梁的涡振性能进行了分析,主要研究了风攻角、行人密度和行人横向排列位置对主梁断面涡振性能的影响规律。试验结果表明负向来流风攻角对主梁涡振抑制产生有利影响;1.0人/m2是对涡振抑制最不利的行人密度,而0.5人/m2是对涡振抑制最有利的行人密度。本文的研究工作为行人对人行桥抗风性能的影响研究提供了相关试验依据,有利于后续研究者继续开展行人对人行桥抗风性能的研究。
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