潇濞江大跨度管道悬索桥的风致响应特性研究

发布时间：2018-12-09 09:37

【摘要】：管道悬索桥是长输油气输送工程中最重要的结构之一,但对于大跨度管道悬索桥,因其跨度大而宽度较小、整体重量轻、基频低、结构刚度小,致使其在脉动风荷载作用下较为敏感。在一年四季基本不停的脉动风荷载作用下容易导致疲劳失效,轻者造成重大经济损失,重者造成人员伤亡、环境破坏,带来不好的社会影响。本文在相关背景文献调研、工程参数分析、工程实地考察的基础上,建立了漾濞江管道悬索桥三维模型和工程所在地空间风荷载模型,开展了对其非线性静力学及其静风稳定性和风致抖振响应动力学等研究工作,掌握了结构上风荷载的变化规律、漾濞江管道悬索桥的静风稳定性、不同因素对其静风稳定性的影响、不同缆索受风的风致抖振响应特性,为漾濞江管道悬索桥后期维护提供了指导性意见,也为其余类似工程设计提供了理论支撑。具体研究工作如下所示:首先,通过对管道悬索跨越工程建设中所存在的力学结构问题的分析,认识到管道悬索桥风致响应研究在管道悬索跨越工程设计、维护中的重要性与必要性。在现阶段国内外管道悬索桥风致响应研究的基础上,针对漾濞江跨越工程的结构受力特点,提出了本文的研究方向:基于三维静风失稳模型和Davenport准定常气动力模型,通过Midas Civil分别开展漾濞江管道悬索桥的静风稳定性和风致抖振响应研究。其次,基于跨越工程参数和结构几何非线性特点,采用Newton-Raphson法,通过Midas Civil建立了符合成桥标准的三维模型,为后续风致响应分析奠定了模型基础。分析了抗风索系统的设置对管道悬索桥固有动力特性的影响,获得了管道悬索桥结构的振动周期、固有频率和模态振型等,证实了抗风索系统的设置对提高桥梁结构刚度的重要性。与此同时,采用M.Shinozuka法,通过Matlab编程将工程所在地脉动风载数字化后转变为可施加的风速时程函数,并进一步求得了当地自然风荷载时程函数,以此作为风致抖振时域分析的风荷载模型。再次,基于三维静风失稳理论,采用内外增量双重迭代法,研究了漾濞江管道悬索桥静风扭转失稳风速,风攻角变化、缆索系统受风、是否设置抗风索系统对桥梁结构稳定性的影响。结果表明:悬索桥的静风扭转失稳风速123.2m/s,未超过当地100年一遇风速极值38.7m/s;随着顺风向风攻角的增大,管道悬索桥的静风扭转失稳风速减小,其静风稳定性也随之降低;缆索系统所承受的荷载比例较大,对管道悬索桥的稳定性影响不容忽视;抗风索系统的设置对结构的受风响应有明显的抑制作用,能显著提高结构的整体刚度,增强结构的抗风特性。最后,以漾濞江悬索跨越为工程背景,采用直接积分法,研究了管道悬索桥不同缆索受风对结构动力响应的影响规律。结果表明:对于加劲梁、主索、风索3结构组件,考虑缆索受风越多,响应越剧烈,说明缆索系统受风对管道悬索桥的抖振响应影响较大,在后期工程设计中应予以重视,特别是主索和风索的受风影响;风索在不同工况时的振动强度、振动幅度均较加劲梁、主索的大,说明自然风荷载下风索响应更为灵敏;加劲梁和塔架均出现了局部单元应力集中且超出了其应力许用范围,并且拉索的最大应力十分接近其许用应力,说明在当地100年一遇大风面前,整个悬索桥可能会因局部单元失效而出现安全问题。
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【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U448.25

【参考文献】