大跨桥梁在湍流风作用下的非线性振动研究

发布时间：2017-10-21 14:11

  本文关键词：大跨桥梁在湍流风作用下的非线性振动研究

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【摘要】：随着现代各类技术的更新和提高,桥梁结构越来越向大跨径的方向发展。千米级的主跨跨径已经开始出现在世界各地的斜拉桥和悬索桥中,如主跨跨径1088m的苏通大桥、1018 m的昂船洲大桥、1104 m的俄罗斯岛大桥等。以往学者在研究大跨桥梁的风振响应尤其是桥梁颤振时,大多只取主梁结构的标准节段模型进行风洞试验模拟,并且在试验时都将风简化为平均风。然而由于桥梁主跨大跨径的几何非线性和风荷载中湍流成分的参数非线性等因素,会引起大跨桥梁的高度非线性行为,这些非线性行为将在主跨结构振动过程中引起某些平均风下的节段模型试验所不能展现的运动状态。因此,本文将研究对象从传统标准的节段模型试验引申到整个桥梁主跨结构,结合一些成熟的理论基础,研究大跨桥梁在湍流风作用下颤振临界状态及其影响因素和结构的非线性振动行为,从而能为解决实际工程中大跨桥梁结构颤振临界风速设计和振动控制提供一定的思路和建议。本文的主要研究内容包括以下几个方面:将大跨桥梁主跨原型简化成三维矩形板结构,以Von Karman板大变形理论、细长体理论和低速空气动力学理论为理论基础,运用哈密尔顿原理和Lighthill气动力模型建立大跨桥梁主跨结构的三维运动微分方程;将得到的微分方程进行无量纲化,再用Galerkin方法对无量纲化的方程进行离散得到结构的动力学方程。以动力学方程为基础,研究模态函数、初始条件、结构阻尼等参数对结构颤振幅值的敏感性。在湍流风频率与桥梁主跨基频和二阶频率在1:1:2比例下,对桥梁主跨三维运动微分方程采用多尺度方法摄动分析,得到结构运动的平均方程。基于此方程,以精确的数值模拟为基础,运用庞加莱截面图、分岔图、相轨迹图等工具研究主跨结构运动状态和非线性响应行为,如周期、分岔与混沌运动等。通过对大跨桥梁动力学方程的简化以及Galerkin离散,得到求解主跨结构颤振临界风速的简化方程。以此方程为基础,得到求解桥梁主跨颤振临界风速的方法(L-V法),将以该方法得到的颤振临界风速与以往各学者做过的节段模型风洞试验得到的结果进行对比,验证其可行性。在此基础上,分析桥梁的宽跨比、厚跨比,入流风的斜风角、湍流成分等因素对大跨桥梁颤振临界风速的影响。
【关键词】：大跨桥梁 非线性振动 颤振临界风速 湍流风 Lighthill气动力模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义9-10
• 1.2 国内外相关领域的研究现状及分析10-14
• 1.2.1 Lighthill模型的研究现状及分析10-11
• 1.2.2 流体诱发振动、气动力和板颤振的研究现状及分析11-12
• 1.2.3 外界环境激励对结构振动影响的研究现状及分析12-14
• 1.3 结构非线性振动的研究方法及研究进展14-17
• 1.3.1 研究方法及相关概念14-15
• 1.3.2 分岔与混沌15-16
• 1.3.3 研究进展16-17
• 1.4 本文的主要研究内容及研究方案17-19
• 1.4.1 研究内容17-18
• 1.4.2 研究方案18-19
• 第2章 湍流风作用下桥梁三维气动力模型研究19-36
• 2.1 引言19
• 2.2 大跨桥梁的振动模型19-24
• 2.2.1 基本假定及理论依据19-20
• 2.2.2 三维气动力模型的建立20-24
• 2.3 L-V方程的无量纲化24-25
• 2.4 L-V方程的Galerkin离散25-35
• 2.4.1 求模态函数25-27
• 2.4.2 求Lagrange方程27-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 大跨桥梁的非线性响应分析36-62
• 3.1 引言36
• 3.2 参数对结构颤振幅值影响的敏感性分析36-40
• 3.2.1 模态函数的截断误差36-38
• 3.2.2 阻尼38-39
• 3.2.3 初始条件39-40
• 3.3 大跨桥梁在湍流风作用下 1:2 内共振分析40-48
• 3.3.1 方程的Galerkin离散40-44
• 3.3.2 多尺度法摄动分析44-48
• 3.4 混沌动力学分析48-60
• 3.4.1 分岔图分析49-53
• 3.4.2 相位图与庞加莱映射分析53-60
• 3.5 本章小结60-62
• 第4章 大跨桥梁颤振临界风速的求解与分析62-84
• 4.1 引言62
• 4.2 颤振临界风速的L-V简化计算62-72
• 4.2.1 简化分析方法62-68
• 4.2.2 颤振临界风速的求解68-70
• 4.2.3 基于L-V简化计算方法的塔科马大桥事故分析70-72
• 4.3 颤振临界风速参数分析72-77
• 4.3.1 宽跨比的影响72-74
• 4.3.2 厚跨比的影响74-75
• 4.3.3 斜风角的影响75-77
• 4.4 考虑湍流风的颤振临界风速研究77-82
• 4.4.1 数值算例分析77-79
• 4.4.2 湍流幅值的影响79-81
• 4.4.3 湍流频率的影响81-82
• 4.5 本章小结82-84
• 结论84-86
• 参考文献86-92
• 附录92-105
• 致谢105

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本文编号：1073770