桥塔尾流区吊索大幅振动理论模型与振动特征研究

发布时间：2020-10-23 19:27

　　 悬索桥因其优越跨越性能成为目前大跨度桥梁的首选结构形式,但其柔性体系也决定了不可避免地受风荷载影响。尤其是桥塔尾流区内吊索不仅受自然脉动风作用,还受桥塔尾流干扰,在特定风速下会诱发大幅风致振动。本文以西堠门大桥桥塔尾流区内吊索为研究对象,采用数值分析方法对其在横风向表现的气动特性进行了深入研究,提出了模拟桥塔尾流区内吊索风振响应的数学模型。本文主要研究内容有:(1)基于等效线性化近似理论,通过非线性系统辨识时域方法识别振幅相关阻尼比和频率,分析了吊索振动系统模态参数非线性特征,对吊索振动系统振幅相关阻尼比和频率进行三次样条插值,应用于桥塔尾流区内吊索风致振动数值分析中;(2)建立了新的描述桥塔尾流区内吊索横风向大幅振动特性的数学模型。提出的吊索气动力模型囊括了桥塔尾迹规则脱落的Kármán旋涡与塔后吊索共振作用、高折算风速下脉动风抖振效应和振动系统模态参数非线性三个非定常气动分量。该半经验半理论模型充分考虑了桥塔尾流对吊索的气动干扰效应,模型中关键参数都具有明确的物理意义;(3)探讨了数学模型中关键参数的设定方法,应用四阶Runge-Kutta法对尾流振子耦合模型进行数值求解,研究吊索在在不同参数设置下的响应特征。数值分析结果表明,在合理选取参数的情况下,本文所建立的模型能很好地预测桥塔尾流区吊索振动特性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U448.25;U441.3
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究意义悬索桥因其造型美观、跨越性能出色、具有良好的抗震性能深受桥梁工程师青睐，逐渐成为超过 1000 米跨度桥梁的首选结构形式。1998 年建成的日本明石海峡大桥（Akashi Kaikyō Bridge）主跨跨度长达 1991 米，是目前世界上主跨跨距最大的悬索桥。我国于 2009 年建成的舟山西堠门大桥（XihoumenBridge）（图 1-a）主跨跨度 1650 米，是跨径世界第二、国内第一的特大跨度悬索桥，也是世界上跨径最大的钢箱梁悬索桥。青马大桥（Tsing Ma Bridge）图 1-b）连接香港境内葵青区青衣岛与荃湾区马湾岛，线路全长 2160 米，主桥全长 1377 米。在建的意大利墨西拿海峡大桥和中国武汉杨泗港长江大桥主跨分别达到 3300 米和 1700 米，悬索桥的建设正朝着超长跨径的方向发展。

图 1-2 多圆柱排布方式derios 和 Zdravkovich[50]根据圆柱间的干扰效应对其尾流区面划分为四个区域，分别代表近距干扰、尾流干扰、近距和尾扰效应，如图 1-3 所示。1）在近距干扰区，上游圆柱的尾迹影响下游圆柱的尾迹。当双或α 较大交错排列时，就会发生这种干扰效应。当 P 较大、α 较柱尾流区同时出现大小相同的涡街；而 P 为中间值、α 为较大值列圆柱尾流区产生的涡街并不相同，而是一窄一宽；当两个圆近甚至接触，即 P0 = 时，尾流区只会生成一个涡街。2）尾流干扰效应发生在串列和略微交错排列的圆柱中，其间距定临界值（一般为 3.5~4.0）。Zdravkovich[51]研究表明上游圆柱的于一个单独圆柱，下游圆柱尾流受上游圆柱的影响很大。Alam柱气动特征受下游圆柱反馈机制的影响，至少当 L8 < 时，与孤上游圆柱tS 减小，而DC 、'DC 和'LC 增大，可能会出现两种不同式。圆柱交错排列时，尾流涡街会相互干扰（图 1-3i），此时两

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（3）当圆柱串列或交错排列且间距较小时，上游圆柱尾流明显受下响，两圆柱间存在近距和尾流干扰效应。事实上这种情况是近距干扰扰的组合，圆柱表现出四种不同的涡脱形式。 L1.2 < 时，上游圆柱尾的剪切层在下游圆柱后面卷起而不重新附着（图 1-3d），也就是说，中的涡街基本上是由上游圆柱生成的旋涡产生的[47]。随着 L 的增大可以以三种不同的方式重新附着在下游圆柱体上，即交替再附（图 1-3定再附（图 1-3f）和间歇再附（图 1-3g）[34,54,55]。对于交错排列圆柱j），间隙流偏向流向上游圆柱尾流[37,56]，这种干扰状态下的流动结构大的，除非圆柱布置落在图 1-3 中标记的交叉阴影区域[56,57]。（4）在无干扰区，圆柱间距较大，两圆柱尾流基本不会相互影响（。需要指出的是，不同干扰效应区域的边界取决于雷诺数eR 、来流湍u 和阻塞比等参数。
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本文编号：2853445