[博士]波浪效應(yīng)下大跨度斜拉橋索橋耦合振動研究

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　　[博士]波浪效應(yīng)下大跨度斜拉橋索橋耦合振動研究　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)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(shè)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(jīng)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(fēng)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(dāng)海水較深、浪高較大時，波浪產(chǎn)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(yīng)，并有可能與橋梁其它振動相互藕合導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。本文正是從跨海大跨斜拉橋的上述特點(diǎn)出發(fā)，研究波浪荷載作用下大跨斜拉橋的振動響應(yīng)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(xué)模型，對橋墩在波浪效應(yīng)下的受力進(jìn)行深入研究，然后推導(dǎo)了大跨度斜拉橋拉索與橋面禍合振動非線性運(yùn)動方程，對拉索橋面禍合振動問題進(jìn)行理論分析，最后詳細(xì)探討了大跨度跨海斜拉橋在波浪效應(yīng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，并對波浪效應(yīng)下拉索振動進(jìn)行研究，主要研究內(nèi)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(xué)模型的建立問題，而自由水面追蹤技術(shù)是三維波浪數(shù)值模擬成功的關(guān)鍵之一。第二章詳細(xì)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(jìn)行細(xì)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(jìn)行自由水面的追蹤，采用大渦模擬的NS方程為波浪運(yùn)動的基本控制方程，波浪與結(jié)構(gòu)物接觸面采用兩步邊界定位法和虛擬邊界力方法進(jìn)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(jié)構(gòu)物作用的數(shù)學(xué)模型。數(shù)值求解采用兩步映射法，對流項采用復(fù)合的迎風(fēng)和中心差分、其他空間導(dǎo)數(shù)項采用中心差分?jǐn)?shù)值離散。　　 3.開展了波浪與結(jié)構(gòu)物作用的應(yīng)用研究，首先，對邊界造波法及PLIC-VOF方法進(jìn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生的繞射、反射現(xiàn)象;然后開展了波浪與不同形狀結(jié)構(gòu)物相互作用的應(yīng)用研究，對波浪與方柱、波浪與圓端形橋墩、波浪與群墩結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)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(jié)構(gòu)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(guān)文獻(xiàn)數(shù)值結(jié)果相當(dāng)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(jié)果與理論解吻合很好;　　 4.推導(dǎo)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(zhì)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(zhì)量比均會對拉索局部振動產(chǎn)生影響，隨著索的傾角增大以及橋面與索的質(zhì)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(nèi)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(dāng)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(dāng)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(yīng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，并對波浪效應(yīng)下拉索的振動響應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，波浪效應(yīng)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(yīng)均比橋梁主跨處響應(yīng)要大的多。波浪效應(yīng)下主塔加速度響應(yīng)在頂部最大，進(jìn)入索區(qū)加速度會有所減小，主塔彎矩響應(yīng)則會在進(jìn)入索區(qū)后，在長索區(qū)彎矩響應(yīng)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(yīng)。　　最后，對本文的研究工作進(jìn)行總結(jié)，并提出了需要進(jìn)一步研究和拓展的相關(guān)課題。

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