千米级跨径斜拉桥施工过程颤振特性分析

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随着桥梁设计理论的成熟以及新型材料的出现,斜拉桥跨度越来越大,已经出现了千米级跨径斜拉桥。跨径增大的同时斜拉桥结构体系越来越柔,结构的抗风稳定性也在下降。同成桥运营状态相比,虽然斜拉桥的施工建设周期并不是很长,但是在施工架设阶段,由于桥梁的结构体系处于不断转换中,尚未形成最终状态,可能会出现比成桥后更为不利状态:刚度小、稳定性差、风振响应大等。因此为了确保施工过程安全顺利地进行,需要对千米级跨径斜拉桥施工阶段进行抗风稳定性分析。颤振作为桥梁风致振动的一种,一旦发生就会导致结构发生毁灭性的破坏。本文主要对斜拉桥施工阶段的颤振稳定性进行研究。  对于千米级跨径的斜拉桥施工过程的颤振稳定性考察,本文采用三维全模态颤振分析方法。首先利用Scanlan的自激气动力模型模拟空气作用力,自激气动力经过一系列转化变为等效节点荷载,然后以矩阵形式表达出来。利用ANSYS自带的矩阵单元输入自激气动力,这样就在有限元中建立了结构单元和自激气动力单元组成的系统,将颤振问题转换成了对这个系统的模态分析问题。通过系统模态分析得到的结果就可以判定颤振临界状态。  本文以苏通长江大桥为背景,划分斜拉桥的施工阶段,建立与各施工阶段对应的模型,对模型做了不计阻尼的动力特性分析,得出了各施工阶段的结构的振动模态;然后计入阻尼与气动力作用,对模型作了颤振分析得到颤振临界风速,并总结了苏通桥施工过程中动力特性和颤振特性的变化规律。  研究表明:  (1)随着施工的推进,结构的自振频率呈下降趋势,其中施工初期下降较快,后期下降较慢,并且在后期出现了主梁侧弯和扭转耦合的模态;  (2)施工过程中临时支撑的架设和边跨合龙会提高结构的竖弯刚度,主梁竖弯频率升高,提高了结构的稳定性;  (3)中跨合龙的同时拆除了主梁和索塔之间的临时固结,结构体系的整体刚度下降,颤振临界风速也下降;  (4)随着施工的推进,斜拉桥的颤振临界风速也呈下降趋势,成桥阶段的颤振临界风速最小,颤振临界风速只在边跨合龙时有所提升。
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