【博士】基于SHMS的大跨度悬索桥风致抖振响应实测研究【2007】

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内容简介

　　学科专业：防灾减灾工程及防护工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：东南大学　　学位年度： 2007年　　作为桥梁抖振精细化研究的重要手段之一，开展既有大跨度桥梁的桥址区近地风特性及抖振响应的现场实测研究，可用于检验现有桥梁抖振响应计算理论、确定桥梁抖振计算中的关键影响因素以及分析大跨桥梁结构的抖振性能及其机理等，因而具有重大的理论和实际意义。另一方面，随着人们对结构安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注以及对结构健康监测领域研究工作的不断深入，国内外许多重要的大跨度桥梁都已建立或正在建立结构健康监测系统(SHMs)，以期对结构的力学行为和环境状态进行实时监测。这些SHMS中大都包含了风环境监测和结构振动监测子系统在内，因此为大跨桥梁的抖振响应实测案例研究提供了良好的平台。　　本文以“麦莎”台风作用下的润扬长江公路大桥南汉悬索桥(简称润扬悬索桥)为研究对象，紧紧围绕大跨度悬索桥SHMS和风致抖振响应这两大桥梁工程领域非常活跃的研究热点，利用动静载试验数据以及SLIMS中风速仪和加速度传感器实时采集的风特性和结构振动响应数据，理论与试验相结合，开展大跨度悬索桥体系动力特性及其影响因素、有限元建模策略、桥址区实测近地风特性、风致抖振时域分析实用方法及现场实测等方面的研究，主要包括以下几个方面的内容：　　(1)基于ANSYS平台实现了大跨度悬索桥这一典型非线性结构体系的模态分析方法，在此基础上深入研究了设中央扣的大跨度悬索桥体系的动力特性及其影响因素。其中重点研究了国内首次采用的刚性中央扣的多精度模拟技术及其对大跨度悬索桥动力特性的影响，为今后刚性中央扣结构在大跨度悬索桥中的广泛应用提供参考，同时还研究了土．桩．结构相互作用因素对大跨度悬索桥动力特性的影响。研究结果为该桥模型修正和风致抖振研究工作提供了理论依据。　　(2)基于灵敏度的物理意义以及罚函数的思想，提出了一种结构有限元模型修正的新方法。该法以自振特性为目标函数，以结构设计参数为待修正参数，但其中设计参数的上下限主要根据测试所得静力响应值和理论值的对比以及工程经验来确定，因此修正后的模型的静力响应也必定与实测结果更加吻合。采用SHMS实测数据及提出的方法对润扬悬索桥有限元模型进行了修正与验证，得到了能够较好反映大桥整体动静力性能的有限元基准模型，为该桥的风致抖振响应有限元分析工作打下了坚实的基础。　　(3)以2005年8月袭击润扬悬索桥的台风“麦莎”为例，深入研究了该桥址区的近地强风特性。利用台风经过时SHMS中的风速仪实时采集的数据，对该强风样本进行了深入分析，得到了平均风速、平均风向、风速沿高度变化规律、素流强度、阵风因子、紊流积分尺度、紊流功率谱密度函数等强风特性，并将实测风特性与相关规范进行了对比研究。分析结果为润扬悬索桥风致抖振分析提供了实测依据，同时为确定适合我国东部沿海地区的强风特性及风谱模型提供了参考。　　(4)以遭受“麦莎”台风袭击的润扬悬索桥为例，进行了台风作用下大跨度悬索桥抖振响应的现场实测案例研究。采用时频分析和统计分析等方法，结合以上“麦莎”台风实测数据，对该台风经过时SHMS中加速度传感器实时采集的结构振动响应数据进行了处理与分析，主要研究内容包括主粱和缆索的振动响应与风速的关系、振动响应的RMS分析、频谱分析、上下游缆索振动响应的对比分析以及南北岸缆索振动响应的对比分析等。分析结果为润扬悬索桥抖振性能的评价提供了实测依据，同时为检验现有桥梁抖振响应计算理论提供了实测数据平台。　　(5)对R．H．Scanlan教授基于平均风分解法的斜风作用下大跨度桥梁抖振响应分析方法进行了改进，建立了适于SHMS采集数据的风分解法。在此基础上以大型计算软件MATLAB和ANSYS为分析平台，发展了一套斜风作用下考虑了气动自激力影响的大跨度桥梁抖振响应时域分析实用方法，编制了全部相关计算程序，实现了直接由SHMS实测风环境数据得到结构的抖振响应。研究成果成功地应用于实测斜风作用下润扬悬索桥的抖振响应有限元分析。　　(6)在上述研究的基础上，将基于本文抖振时域分析方法的有限元数值模拟结果与基于SHIMS的现场实测案例研究结果进行对比和总结分析，验证了本文基于斜风分解法的大跨度悬索桥抖振响应时域分析方法的可靠性和有效性，探讨了大跨度悬索桥抖振响应分析的关键影响因素，深入研究了强风作用下大跨度悬索桥尤其是主梁和缆索的抖振响应特征，分析了大跨度悬索桥抖振响应的机理。研究结果对其它同类型大跨度缆索承重桥梁的抗风设计与研究工作具有参考价值。　　

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