西部山區(qū)寬體式扁平鋼箱梁懸索橋風—汽車—橋梁系統(tǒng)振動研究.pdf

1、隨著公路橋梁建設的飛速發(fā)展，越來越多的大跨徑懸索橋出現(xiàn)在西部山區(qū)，其主梁寬度也在不斷增大，出現(xiàn)了比較少見的寬體式扁平鋼箱梁。寬體式扁平鋼箱梁因能夠大大緩解交通壓力而成為公路橋梁發(fā)展的一個新趨勢?；诖?，本文以位于西部典型山區(qū)城市重慶市的寸灘長江大橋為工程背景，采用現(xiàn)場實測、風洞試驗、理論分析和數(shù)值計算相結合的方法，對橋址處風環(huán)境特性及參數(shù)、西部山區(qū)風下橋梁的抖振響應、寬體式扁平鋼箱梁和風—汽車—橋梁系統(tǒng)的氣動力性能、風—汽車—橋梁系統(tǒng)振

2、動特性進行了研究。主要研究內(nèi)容如下：
　?、僭谥貞c市寸灘長江大橋橋址處布置了經(jīng)過改進的風速風向觀測系統(tǒng)，研究了橋址處的風特性參數(shù)。發(fā)現(xiàn)橋址處的局域性小氣候特征明顯，主風向隨著高度增加發(fā)生了偏移，風剖面指數(shù)、三個方向湍流度比值和脈動風功率譜與規(guī)范中相比較，存在著較大偏差。橋址處湍流動能在順風向有向高頻率段偏移而豎風向有向低頻率段發(fā)生偏移的趨勢，并給出了符合橋址處風環(huán)境的脈動風功率譜。
　?、谕ㄟ^風洞試驗和數(shù)值計算相結合，對山區(qū)

3、風環(huán)境下懸索橋抖振特性的進行了分析。發(fā)現(xiàn)該橋抖振響應明顯，風攻角對主梁橫向和豎向位移影響較大，對主塔橫向位移影響較小。主塔的橫橋向位移隨著風速增加增長幅度較大。該橋在設計和運營中應特別注意考慮抖振力引起的疲勞破壞，抖振特性分析為后續(xù)風—汽車—橋梁系統(tǒng)振動的計算打下了基礎。
　　③基于隨機諧和函數(shù)提出了新的三維路面粗糙度函數(shù)。從理論上證明了該函數(shù)為平穩(wěn)零均值正態(tài)分布的函數(shù)，通過數(shù)值模擬，對新函數(shù)生成的路面粗糙度的穩(wěn)定性和零均值性進行

4、了驗證，將功率譜密度與標準譜密度相比較，證明了新的三維路面粗糙度模型的可行性和正確性，并對其生成的路面粗糙度具有良好的隨機性進行了證明。
　?、芑趯掦w扁平鋼箱梁節(jié)段模型風洞試驗研究了風速、欄桿透風率、橋面粗糙度、大攻角、車型、車輛數(shù)目和車輛間距對主梁氣動力性能的影響，從繞流場特性角度探究了其影響原因和機理。研究結果表明寬體式扁平鋼箱梁在不同風速下靜力三分力系數(shù)值十分接近，雷諾數(shù)影響較小，氣動性能良好。欄桿透風率和橋面粗糙度變化對

5、靜力三分力系數(shù)中阻力系數(shù)影響最大、升力系數(shù)次之、力矩系數(shù)最小。攻角和橋面粗糙度發(fā)生變化時，主梁的扭轉響應更敏感。大攻角下主梁容易發(fā)生大范圍大振幅渦振，橋面粗糙度越大，渦振響應越小。有車工況下的渦振響應小于主梁上無車工況下的渦振響應，隨著車距的減小渦振響應逐漸增大。
　?、萃ㄟ^車輛振動微分方程編制了風—汽車—路面振動系統(tǒng)分析程序，應用山區(qū)風環(huán)境脈動功率譜，研究了突加側向陣風、有無脈動風、不同風速及不同車速在三維路面粗糙度上行駛時的車

6、輛響應。研究結果表明：車輛遇到突加側向陣風時會發(fā)生側向偏移，該偏移隨著風速增加而增大?？紤]脈動風時車輛的側滑事故臨界風速會比不考慮脈動風時的臨界風速低。車輛的車體側向位移的極大值、脈動均值、脈動范圍均隨著風速提高而增大。車輛的側向位移和偏航角的響應曲線形狀是由風速決定的。通過Baker事故模型和所編程序，對路面安全行車進行了計算，給出了行車安全車速。
　?、尥ㄟ^汽車—橋梁系統(tǒng)振動方程編制了汽車—橋梁系統(tǒng)振動程序，驗證了程序的正確性