[博士]波浪效應下大跨度斜拉橋索橋耦合振動研究

內容簡介

　　[博士]波浪效應下大跨度斜拉橋索橋耦合振動研究　　學科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：西南交通大學　　學位年度：2009　　隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃及高速公路網(wǎng)的規(guī)劃中出現(xiàn)越來越多的跨海大橋。繼東海大橋、杭州灣大橋之后，渤海灣大橋、黃島大橋、及舟山聯(lián)島工程等一系列跨海大橋的建設都己被提上議事日程，在貫穿中國南北國道主干線中長約5200公里的同三線(黑龍江省同江一海南省三亞)中，將涉及渤海灣大橋、寧波杭州灣大橋、伶仃洋大橋，以及瓊州海峽大橋四座跨海大橋，大跨度斜拉橋及懸索橋方案也己經出現(xiàn)在規(guī)劃中的同(江)三(亞)線等大型跨海工程中。這一切標志著我國即將修建超大跨度跨海大橋。　　大跨度斜拉橋由于跨度較大、拉索較長、結構輕柔，因此大跨度斜拉橋的車橋禍合振動問題、拉索振動問題以及抗風抗震問題等都是重要的研究課題，而跨海大跨度斜拉橋還要考慮橋墩受海浪的影響，因為當海水較深、浪高較大時，波浪產生的波浪力作用于橋墩時有可能會引起橋梁較大振動響應，并有可能與橋梁其它振動相互藕合導致橋梁結構發(fā)生破壞。本文正是從跨海大跨斜拉橋的上述特點出發(fā)，研究波浪荷載作用下大跨斜拉橋的振動響應以及拉索振動問題，首先，基于大渦模擬和VOF方法，并引入兩相流概念，建立了三維波浪與橋墩作用的數(shù)學模型，對橋墩在波浪效應下的受力進行深入研究，然后推導了大跨度斜拉橋拉索與橋面禍合振動非線性運動方程，對拉索橋面禍合振動問題進行理論分析，最后詳細探討了大跨度跨海斜拉橋在波浪效應作用下橋梁結構的動力響應，并對波浪效應下拉索振動進行研究，主要研究內容如下:　　 1.研究三維波浪與橋墩的相互作用，首先要考慮三維波浪數(shù)學模型的建立問題，而自由水面追蹤技術是三維波浪數(shù)值模擬成功的關鍵之一。第二章詳細介紹了VOF方法和Level Set方法，并對本文所采用的具有二階精度的PLIC-VOF方法進行細致分析，給出了從自由界面法向向量的確定、供體受體單元的確定、自由界面的傳播到VOF流量的計算整個過程的計算方法。　　 2.基于兩相流的概念，采用PLIC-VOF方法進行自由水面的追蹤，采用大渦模擬的NS方程為波浪運動的基本控制方程，波浪與結構物接觸面采用兩步邊界定位法和虛擬邊界力方法進行處理，數(shù)值造波則采用邊界造波法，建立了三維波浪與結構物作用的數(shù)學模型。數(shù)值求解采用兩步映射法，對流項采用復合的迎風和中心差分、其他空間導數(shù)項采用中心差分數(shù)值離散。　　 3.開展了波浪與結構物作用的應用研究，首先，對邊界造波法及PLIC-VOF方法進行數(shù)值驗證;其次，分析了均勻流與圓柱相互作用的流場、渦結構以及阻力系數(shù)和力系數(shù)的演化:再次，研究了波浪與大尺度圓柱作用產生的繞射、反射現(xiàn)象;然后開展了波浪與不同形狀結構物相互作用的應用研究，對波浪與方柱、波浪與圓端形橋墩、波浪與群墩結構的相互作用進行研究;研究表明，波浪的波形及時空的演化與理論解非常吻合;能夠很好的模擬波浪與結構物的作用，三維均勻流與圓柱相互作用數(shù)值計算中所得的阻力系數(shù)和升力系數(shù)與其它相關文獻數(shù)值結果相當吻合，大直徑圓柱的繞流分析中繞流系數(shù)的數(shù)值計算結果與理論解吻合很好;　　 4.推導了拉索與橋面禍合振動非線性方程，分析了單根拉索與橋面參數(shù)禍合振動以及相鄰索與橋面禍合振動及鄰索禍合振動。研究表明，在考慮索的垂度、拉索與橋面兩質量之間禍合特性的情況下，索不僅在索與橋面的頻率比為1附近時會發(fā)生共振，而且在頻率比為1/2, 2附近時也會發(fā)生較大幅度振動;拉索與橋面的傾角及拉索與橋面質量比均會對拉索局部振動產生影響，隨著索的傾角增大以及橋面與索的質量比的增大，索的諧波共振振幅會減小，而索與橋面頻率比為1/2, 2時的內共振振幅會明顯增大。在橋面振動頻率與索的頻率比1附近有較寬的共振域，當橋面振動頻率與兩相鄰索中一根索的頻率比為1時，會引起兩相鄰索同時發(fā)生較大幅度的振動;當兩相鄰索的自振頻率比較接近時，其中一根索發(fā)生參數(shù)振動時，另一根索也會發(fā)生較大幅度的振動。　　 5.探討了大跨度跨海斜拉橋在波浪效應作用下橋梁結構的動力響應，并對波浪效應下拉索的振動響應進行研究。結果表明，波浪效應下邊跨由于輔助墩較多，受到較大波浪力的影響，橋梁主梁振動加速度、彎矩等在邊跨處響應均比橋梁主跨處響應要大的多。波浪效應下主塔加速度響應在頂部最大，進入索區(qū)加速度會有所減小，主塔彎矩響應則會在進入索區(qū)后，在長索區(qū)彎矩響應相比較其它位置要大。對于長索來講，波浪荷載會加大索跨中的豎向位移響應?！　? 最后，對本文的研究工作進行總結，并提出了需要進一步研究和拓展的相關課題。

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