基于SHMS的大跨度懸索橋風致抖振時域分析.pdf

1、對于大跨度纜索承重橋梁而言，隨著橋跨的不斷增加，結構剛度大幅下降，使得風致振動對其安全性的影響尤為重要。目前，通過對橋梁截面進行優(yōu)化和提高結構剛度，已經基本可以避免大跨橋梁在設計使用期限內發(fā)生風致顫振，然而隨著跨度及橋寬的不斷增加，使得橋梁風致抖振問題變得日益突出，橋梁抖振分析研究也因此成為橋梁風工程領域的關鍵科學問題之一。另一方面，隨著人們對結構安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關注以及對結構健康監(jiān)測領域研究工作的不斷深入，國內外許多

2、重要的大跨度橋梁都已建立或正在建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)(SHMS)，以期對結構的力學行為和環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)測。這些SHMS中大都包含了風環(huán)境監(jiān)測和結構振動監(jiān)測子系統(tǒng)在內，因此為基于實測的大跨橋梁抖振響應研究提供了良好的平臺。 本文以“麥莎”臺風和“卡努”臺風作用下的潤揚長江公路大橋南汊懸索橋(簡稱潤揚懸索橋)為研究對象，緊緊圍繞大跨度懸索橋SHMS和風致抖振響應這兩大橋梁工程領域非?；钴S的研究熱點，利用SHMS中風速儀實時采集的數(shù)

3、據(jù)，開展大跨度懸索橋橋址區(qū)實測近地風特性及其風場模擬、有限元建模策略及其動力特性、風致抖振非線性時域分析實用方法及其應用等研究，主要包括以下幾個方面研究工作和成果： (1).基于SHMS深入研究了潤揚懸索橋橋址區(qū)的強風特性。2005年8月與9月期間，臺風“麥莎”和“卡努”分別襲擊江蘇，潤揚懸索橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)(SHMS)記錄了經過橋址區(qū)的兩個強風樣本。通過對實測風速風向數(shù)據(jù)的分析，得到了平均風速和風向、湍流強度、湍流積分尺度、

4、湍流功率譜密度函數(shù)等強風特性，并對實測的脈動風譜離散數(shù)據(jù)進行了非線性最小二乘法擬合，得到了擬合自譜曲線及相應的擬合參數(shù)，為該橋的抗風研究提供基本性數(shù)據(jù)。 (2).基于橋址區(qū)實測強風特性，建立了潤揚懸索橋橋址區(qū)的三維脈動風場。針對潤揚懸索橋的結構形式和振動形態(tài)的特點，結合自然風的相關特性，給出了一種簡化的三維脈動風場模擬方法。在此基礎上運用諧波合成法和FFT技術，進行了潤揚懸索橋橋址區(qū)三維脈動風場的模擬。其中模擬目標功率譜采用了上

5、述兩次臺風實測的數(shù)據(jù)，運用非線性最小二乘法擬合得到的擬合譜。通過對模擬出的風速樣本與目標值進行對比分析，驗證了該風譜模擬方法的有效性和可靠性。 (3).在對現(xiàn)有大跨度橋梁抖振分析方法進行總結的基礎上，開發(fā)了大跨度橋梁非線性抖振時域分析程序。介紹了大跨度橋梁非線性抖振時域分析中三種不同風荷載的分析處理方法。其中為了實現(xiàn)氣動自激力的時域化，基于準定常氣動力模型和非線性動力學理論，導出與其等價的12階單元氣動阻尼矩陣和氣動剛度矩陣，在

6、此基礎上將ANSYS中自定義單元Matrix27的剛度或阻尼矩陣描述成風速和振動頻率的函數(shù)，以模擬橋面單元氣動阻尼矩陣和氣動剛度矩陣?；谕ㄓ糜邢拊治鲕浖嗀NSYS編制了相應的大跨度橋梁非線性時域抖振動力分析程序，實現(xiàn)了直接由三維脈動風速時程獲得結構的非線性抖振時程響應。 (4).在上述研究基礎上，進行了潤揚懸索橋抖振時域響應特征及其關鍵影響因素研究。采用子空間迭代法分析了潤揚懸索橋這一典型大跨柔性結構的動力特性，進而對其進行