【博士】基于SHMS的大跨度懸索橋風致抖振響應實測研究【2007】

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內(nèi)容簡介

　　學科專業(yè)：防災減災工程及防護工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：東南大學　　學位年度： 2007年　　作為橋梁抖振精細化研究的重要手段之一，開展既有大跨度橋梁的橋址區(qū)近地風特性及抖振響應的現(xiàn)場實測研究，可用于檢驗現(xiàn)有橋梁抖振響應計算理論、確定橋梁抖振計算中的關鍵影響因素以及分析大跨橋梁結(jié)構(gòu)的抖振性能及其機理等，因而具有重大的理論和實際意義。另一方面，隨著人們對結(jié)構(gòu)安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關注以及對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領域研究工作的不斷深入，國內(nèi)外許多重要的大跨度橋梁都已建立或正在建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(SHMs)，以期對結(jié)構(gòu)的力學行為和環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)測。這些SHMS中大都包含了風環(huán)境監(jiān)測和結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測子系統(tǒng)在內(nèi)，因此為大跨橋梁的抖振響應實測案例研究提供了良好的平臺?！　”疚囊浴胞溕迸_風作用下的潤揚長江公路大橋南漢懸索橋(簡稱潤揚懸索橋)為研究對象，緊緊圍繞大跨度懸索橋SHMS和風致抖振響應這兩大橋梁工程領域非?；钴S的研究熱點，利用動靜載試驗數(shù)據(jù)以及SLIMS中風速儀和加速度傳感器實時采集的風特性和結(jié)構(gòu)振動響應數(shù)據(jù)，理論與試驗相結(jié)合，開展大跨度懸索橋體系動力特性及其影響因素、有限元建模策略、橋址區(qū)實測近地風特性、風致抖振時域分析實用方法及現(xiàn)場實測等方面的研究，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：　　(1)基于ANSYS平臺實現(xiàn)了大跨度懸索橋這一典型非線性結(jié)構(gòu)體系的模態(tài)分析方法，在此基礎上深入研究了設中央扣的大跨度懸索橋體系的動力特性及其影響因素。其中重點研究了國內(nèi)首次采用的剛性中央扣的多精度模擬技術及其對大跨度懸索橋動力特性的影響，為今后剛性中央扣結(jié)構(gòu)在大跨度懸索橋中的廣泛應用提供參考，同時還研究了土．樁．結(jié)構(gòu)相互作用因素對大跨度懸索橋動力特性的影響。研究結(jié)果為該橋模型修正和風致抖振研究工作提供了理論依據(jù)。　　(2)基于靈敏度的物理意義以及罰函數(shù)的思想，提出了一種結(jié)構(gòu)有限元模型修正的新方法。該法以自振特性為目標函數(shù)，以結(jié)構(gòu)設計參數(shù)為待修正參數(shù)，但其中設計參數(shù)的上下限主要根據(jù)測試所得靜力響應值和理論值的對比以及工程經(jīng)驗來確定，因此修正后的模型的靜力響應也必定與實測結(jié)果更加吻合。采用SHMS實測數(shù)據(jù)及提出的方法對潤揚懸索橋有限元模型進行了修正與驗證，得到了能夠較好反映大橋整體動靜力性能的有限元基準模型，為該橋的風致抖振響應有限元分析工作打下了堅實的基礎。　　(3)以2005年8月襲擊潤揚懸索橋的臺風“麥莎”為例，深入研究了該橋址區(qū)的近地強風特性。利用臺風經(jīng)過時SHMS中的風速儀實時采集的數(shù)據(jù)，對該強風樣本進行了深入分析，得到了平均風速、平均風向、風速沿高度變化規(guī)律、素流強度、陣風因子、紊流積分尺度、紊流功率譜密度函數(shù)等強風特性，并將實測風特性與相關規(guī)范進行了對比研究。分析結(jié)果為潤揚懸索橋風致抖振分析提供了實測依據(jù)，同時為確定適合我國東部沿海地區(qū)的強風特性及風譜模型提供了參考。　　(4)以遭受“麥莎”臺風襲擊的潤揚懸索橋為例，進行了臺風作用下大跨度懸索橋抖振響應的現(xiàn)場實測案例研究。采用時頻分析和統(tǒng)計分析等方法，結(jié)合以上“麥莎”臺風實測數(shù)據(jù)，對該臺風經(jīng)過時SHMS中加速度傳感器實時采集的結(jié)構(gòu)振動響應數(shù)據(jù)進行了處理與分析，主要研究內(nèi)容包括主粱和纜索的振動響應與風速的關系、振動響應的RMS分析、頻譜分析、上下游纜索振動響應的對比分析以及南北岸纜索振動響應的對比分析等。分析結(jié)果為潤揚懸索橋抖振性能的評價提供了實測依據(jù)，同時為檢驗現(xiàn)有橋梁抖振響應計算理論提供了實測數(shù)據(jù)平臺?！　?5)對R．H．Scanlan教授基于平均風分解法的斜風作用下大跨度橋梁抖振響應分析方法進行了改進，建立了適于SHMS采集數(shù)據(jù)的風分解法。在此基礎上以大型計算軟件MATLAB和ANSYS為分析平臺，發(fā)展了一套斜風作用下考慮了氣動自激力影響的大跨度橋梁抖振響應時域分析實用方法，編制了全部相關計算程序，實現(xiàn)了直接由SHMS實測風環(huán)境數(shù)據(jù)得到結(jié)構(gòu)的抖振響應。研究成果成功地應用于實測斜風作用下潤揚懸索橋的抖振響應有限元分析。　　(6)在上述研究的基礎上，將基于本文抖振時域分析方法的有限元數(shù)值模擬結(jié)果與基于SHIMS的現(xiàn)場實測案例研究結(jié)果進行對比和總結(jié)分析，驗證了本文基于斜風分解法的大跨度懸索橋抖振響應時域分析方法的可靠性和有效性，探討了大跨度懸索橋抖振響應分析的關鍵影響因素，深入研究了強風作用下大跨度懸索橋尤其是主梁和纜索的抖振響應特征，分析了大跨度懸索橋抖振響應的機理。研究結(jié)果對其它同類型大跨度纜索承重橋梁的抗風設計與研究工作具有參考價值?！　?

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