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连续刚构桥抗风分析与研究

作　者: 黄海元
导　师: 孙香红
学　校: 长安大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 连续刚构桥 悬臂施工阶段 脉动风模拟 静阵风响应分析 三分力系数 抖振时程分析
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着我国桥梁建设行业的发展,连续刚构桥以其独特的优越性已被越来越多的应用到实际公路建设中。然而,对于采用悬臂施工法的双薄壁柔性墩连续刚构桥,尤其是在连续刚构桥最大悬臂施工阶段,风荷载对其影响非常显著,已成为设计中必须考虑的重要因素之一。因此,很有必要对连续刚构桥进行抗风分析研究。本文以宁波梅山大桥为背景,利用大型通用有限元软件ANSYS及FLUENT软件通过数值模拟法对其风振响应进行分析与研究,为梅山桥梁的设计提供了必要的参考数据和理论依据。本文的研究成果具有显著的理论意义和实用价值。本文的主要研究内容和研究成果如下：(1)本文首先简要论述了桥梁风工程研究的现有理论以及其优缺点,介绍了各理论的发展背景以及理论的发展趋势。采用谐波合成法应用MATLAB软件编制了风速时程模拟的程序,得到了脉动风速时程曲线,并把得到的目标谱和模拟谱进行了对比,两者拟合良好。(2)以梅山大桥为背景,利用ANSYS软件分别对最大悬臂施工及成桥运营两个阶段进行动力特性分析,分别得出前十阶振型,并对其振型特点进行分析,结果表明,采用双薄壁墩的连续刚构桥纵向抗推刚度很小,能减小因温度变化、混凝土收缩及徐变所产生的次内力。(3)分别在三种最不利荷载工况条件下,对梅山大桥在最大悬臂施工阶段进行了抗风分析,求得其控制内力,可以看出在风载作用下墩柱底部的控制内力比悬臂根部要大且结果偏于安全。表明在设计阶段利用这种方法指导设计是可行的。(4)应用FLUENT软件计算桥梁箱梁断面三分力系数,获得了断面在不同攻角下的压力分布图、风速矢量图、三分力系数监视图等。计算了在-6°～6°风攻角时桥梁断面的三分力系数,并将三分力系数随风攻角的变化关系拟合为二次方程,从而得出三分力系数对风攻角的导数,为抖振计算提供必要的计算参数。(5)通过模拟好的风速时程曲线,将抖振力进行时程化处理。应用ANSYS软件对连续刚构桥进行了抖振时程分析,得出结构位移及内力的时程曲线。结果表明,采用抖振时域分析比阵静风分析的结果明显偏小,说明采用阵静风响应分析偏于保守。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-22
  1.1 国内外风工程研究理论与现状  11-17
    1.1.1 理论分析法  11-16
    1.1.2 风洞实验法  16
    1.1.3 数值模拟法  16-17
  1.2 桥梁抗风理论的建立与发展  17-19
    1.2.1 桥梁抗风理论的建立  17-18
    1.2.2 桥梁抗风理论的发展  18-19
  1.3 数值模拟法在工程中的应用  19-20
  1.4 本文研究的目的及主要内容  20-22
    1.4.1 研究目的  20
    1.4.2 本文研究的主要内容  20-22
第二章 脉动风的数值模拟  22-35
  2.1 脉动风的基本特征  22-27
    2.1.1 紊流强度  22-23
    2.1.2 紊流积分尺度  23-24
    2.1.3 脉动风功率谱密度函数  24-27
  2.2 脉动风场的数值模拟理论  27-30
  2.3 脉动风模拟方法  30-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章 三分力系数的计算  35-56
  3.1 流体运动的描述  35-38
    3.1.1 流体力学基本概念  35-36
    3.1.2 流体多维流动基本控制方程  36-38
  3.2 桥梁主梁截面静风系数的数值研究与计算  38-55
    3.2.1 FLUENT软件简介  38
    3.2.2 梅山大桥节段模型主梁截面静风系数数值模拟  38-42
    3.2.3 数值计算  42-55
  3.3 本章小结  55-56
第四章 连续刚构桥的抗风分析  56-75
  4.1 风对结构的作用  56-59
    4.1.1 静力作用  57-58
    4.1.2 动力作用  58-59
  4.2 梅山大桥动力特性分析  59-65
    4.2.1 梅山大桥模型的建立  59-60
    4.2.2 最大悬臂施工阶段动力特性分析  60-62
    4.2.3 成桥运营阶段动力特性分析  62-65
  4.3 梅山大桥在静风荷载作用下的内力分析  65-70
    4.3.1 静风荷载内力计算  65
    4.3.2 桥梁的设计基准风速及阵风风速  65-66
    4.3.3 主梁静风荷载计算  66-67
    4.3.4 风荷载的加载方法  67-70
  4.4 梅山大桥抖振时域分析  70-74
    4.4.1 抖振分析气动模型  70-73
    4.4.2 梅山大桥实例分析  73-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章 结论与展望  75-77
  5.1 主要工作与结论  75-76
  5.2 进一步研究的问题  76-77
参考文献  77-80
攻读硕士学位期间取得的研究成果  80-81
致谢  81

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 结构原理、结构力学 > 桥梁振动及减振设备
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