大跨度橋梁風(fēng)致振動控制的研究

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1、武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文中文摘要大跨度橋梁作為交通樞紐和生命線工程，近年來在全世界范圍內(nèi)的研究和建設(shè)方興未艾，然而大跨度橋梁由于具有輕柔的特點(diǎn)，在強(qiáng)烈外荷載的作用下動力響應(yīng)劇烈。因此，采取有效的措施來抑制大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，并確保其在長期服役下的安全性、適用性及其耐久性具有重要的研究意義，同時也是廣大工程師與科研工作者所面臨的現(xiàn)實(shí)問題。對于橋梁結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的控制研究，目前多集中于地震和風(fēng)振響應(yīng)控制。本文主要研究大跨度橋梁風(fēng)致振動控制。風(fēng)致振動控制的措施主要有氣動措施、結(jié)構(gòu)措施和機(jī)械措施三種。自1

2、940年美國舊Tacoma橋因風(fēng)致振動失穩(wěn)倒塌以來，利用控制措施改善橋梁氣動穩(wěn)定性的研究己引起極大的關(guān)注，而出于經(jīng)濟(jì)、方便與美觀的考慮，在主梁上安裝一些氣動措施，是振動控制研究的重點(diǎn)。隨機(jī)脈動風(fēng)場的模擬是大跨度橋梁顫抖振時域分析的前提。諧波合成法和線性濾波器法是隨機(jī)過程的MonteCarlo模擬中的傳統(tǒng)方法，應(yīng)用最為廣泛。小波分析方法是Fourier分析思想的發(fā)展與延拓，能夠快速、準(zhǔn)確地提取樣本的局部譜密度特征，所以它是本文研究隨機(jī)風(fēng)場模擬的主要內(nèi)容。天興洲長江大橋是世界上第一座四線鐵路橋梁，也是世界

3、上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋。這種漂浮體系鐵路橋梁在強(qiáng)風(fēng)作用下主梁會產(chǎn)生大幅側(cè)向振動，嚴(yán)重影響其正常使用。如何使用經(jīng)濟(jì)有效的減振措施來降低其風(fēng)致振動幅值成為橋梁工程的主要問題之一。國內(nèi)外關(guān)于橋梁豎向抖振研究的文獻(xiàn)較多，而有關(guān)側(cè)向抖振的研究較少，所以以天興洲大橋作為研究背景，系統(tǒng)地研究該橋主梁側(cè)向抖振響應(yīng)控制也是本文研究的一個重點(diǎn)內(nèi)容。本文主要完成了以下幾方面的工作：(1)闡述了大跨度橋梁風(fēng)致振動國內(nèi)外研究狀況，介紹了大跨度橋梁風(fēng)致振動控制的幾種方法，總結(jié)了針對主梁斷面的幾種有效的氣動控制措施，證明了氣動

4、控制措施對顫振控制的有效性。(2)對蘇通長江大橋閉口箱梁進(jìn)行了CFD分析，提取了不同攻角下的靜力三分力系數(shù)進(jìn)行對比分析并通過流場的速度分布圖探討其三分力系數(shù)變化的原因。(3)全面分析了不同斷面型式對靜力三分力系數(shù)的影響。在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計了46種不同寬度風(fēng)嘴、不同寬度導(dǎo)流板、不同中央開槽寬度、不同寬高比、不同透空率欄桿的某懸索橋主梁斷面，利用CFD方法分析了風(fēng)嘴寬度、導(dǎo)流板寬度、中央開槽寬度、主梁寬高比、欄桿透空率對靜力三分力系數(shù)的影響。通過各種斷面對比分析，總結(jié)出了采取氣動措施對大跨度橋梁靜力

5、風(fēng)荷載武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文的影響，并給出在本文設(shè)計中比較合理的斷面型式。(4)將小波分析方法應(yīng)用到隨機(jī)風(fēng)場的模擬中，實(shí)現(xiàn)了橋址處脈動風(fēng)場的有效模擬。該方法基于多分辨率分析的思想和Meyer正交小波基，推導(dǎo)了小波系數(shù)與功率譜密度函數(shù)之間的關(guān)系，利用Log-Poisson湍流模型，由已知的功率譜密度函數(shù)隨機(jī)生成各尺度上的小波系數(shù)，在擬合目標(biāo)風(fēng)速譜的同時引入湍流間歇性，進(jìn)而由生成的小波系數(shù)通過逆變換生成平穩(wěn)風(fēng)速時程。(5)建立了天興洲大橋三維有限元分析模型，并對其動力特性進(jìn)行了分析；在此基礎(chǔ)上，研究了M

6、R阻尼器和流體阻尼器對漂浮體系鐵路斜拉橋主梁側(cè)向抖振響應(yīng)的混合控制。建立了MR阻尼器和流體阻尼器混合控制系統(tǒng)對漂浮體系公鐵兩用斜拉橋側(cè)向抖振響應(yīng)的模糊混合控制的設(shè)計方法，并將其應(yīng)用于天興洲大橋的主梁側(cè)向抖振響應(yīng)的控制中。關(guān)鍵詞：大跨度橋梁，氣動措施，小波分析，脈動風(fēng)場，MR阻尼器，混合控制武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractTobeimportanttransportingfacilitiesandlifelineinfrastructures，long—spanbridgeshavebeenwi

7、delyinvestigatedandconstructedacrosstheworldinrecentyears．Owingtotheirlightandflexibleproperties，long—spanbridgesmayvibrateexcessivelysubjectedtointensiveexternalexcitations．Therefore．itisessentialtoabatetheirstrongdynamicresponsesfortheirsafety,applica

8、bilityanddurabilityduringlongtermservice．whichisalSOanactualissueforcommoncivilengineersandresearchers．AsfarasthevibrationcontrolofbridgesiSconcerned．mostattentionsarepaidtothedynamicresponsessubjectedtowindloadsorseismicexcitati