發(fā)布時(shí)間：2017-05-11 08:17

第一章 緒論

橋梁是跨越障礙的結(jié)構(gòu)，橋梁的發(fā)展與人類社會(huì)發(fā)展相伴而生。從結(jié)構(gòu)功能來講，橋梁可以分為人行橋、公路橋、鐵路橋、特殊用途橋。人行橋應(yīng)該是人類最早出現(xiàn)的橋梁，河邊倒下的大樹可以供原始人方便通過，這可能是最早的人行橋的雛形。古代社會(huì)生產(chǎn)力低下，交通工具有限，跨越溝谷河流的橋梁基本上就是供行人通行，這些橋梁多數(shù)都是柔性懸索結(jié)構(gòu)的橋梁，主要受力構(gòu)件為纜索，纜索甚至可以布置成橋面結(jié)構(gòu)，非纜索的橋面基本也不參與受力，僅僅是一個(gè)傳力構(gòu)件，時(shí)至今日，這類柔性的人行橋還是應(yīng)用廣泛，比如中央紅軍著名的飛奪瀘定橋就是屬于柔性懸索結(jié)構(gòu)的鐵索橋。這種柔性懸索結(jié)構(gòu)的橋梁由于專供行人使用所以其承受荷載較小，往往這類橋梁設(shè)計(jì)簡單，甚至多數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)建成，而且這類極端柔性的橋梁對于動(dòng)力荷載具有極大的適用性，甚至不用考慮動(dòng)力荷載的影響，但是采用柔性主梁的人行懸索橋使用舒適性較差，而且也存在一定的使用安全隱患。

除了這類柔性人行橋之外，還有一種具有加勁梁結(jié)構(gòu)的人行橋，加勁梁式人行橋具有較好的使用舒適性，所以具有良好的應(yīng)用前景。按照結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)來分，理論上這類人行橋可以選用梁式橋、拱式橋、斜拉橋、懸索橋、組合體系橋等五大類型；依據(jù)跨度適用性來分，梁式橋和拱式橋的跨度有限，而纜索支撐體系橋梁跨越能力較大，所以跨越大型山谷或者較寬河流的橋梁多采用懸索橋結(jié)構(gòu)，比如已建成的跨越 173m 深谷的主跨 390m 的日本九重夢大橋、跨越 143m 深谷的主跨 420m 的中國山東天蒙景區(qū)人行懸索橋、跨越 300m 深谷的主跨 385m 的張家界大峽谷人行懸索橋，以及計(jì)劃修建的跨越景觀河流的主跨 369m 的中國四川鳳埡山景區(qū)孝心橋。對于這些具有加勁梁結(jié)構(gòu)的大跨人行懸索橋一般橋面較窄（日本九重夢大橋的橋面寬度僅為 1.5m），剛度較小，其自振頻率較小，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性較差，而且往往跨越深切峽谷，橋址風(fēng)環(huán)境惡劣，容易引發(fā)較大振幅的風(fēng)致振動(dòng)，所以抗風(fēng)設(shè)計(jì)是這類橋梁的重要方面。

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1.2 大跨加勁梁人行懸索橋抗風(fēng)研究現(xiàn)狀
大跨橋梁的現(xiàn)代抗風(fēng)研究已經(jīng)走過 70 余年，雖然現(xiàn)有理論模型存在很多假定，需要完善和進(jìn)一步分析的問題很多，但是當(dāng)前橋梁抗風(fēng)理論已經(jīng)基本滿足橋梁工程建設(shè)的需要，針對公路或鐵路大跨橋梁的抗風(fēng)應(yīng)用研究比較廣泛，對于車載橋梁的抗風(fēng)性能應(yīng)用研究也已經(jīng)較為充分。由于很多大跨人行橋采用索道橋，這類橋梁對風(fēng)荷載適用性較強(qiáng)幾乎不需要進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，而具有加勁梁結(jié)構(gòu)的大跨人行懸索橋目前數(shù)量不多，所以當(dāng)前專門針對大跨加勁梁人行懸索橋的抗風(fēng)研究并不多。
1.2.1 既有研究案例
日本九重夢人行懸索橋因?yàn)闃O小的寬跨比和高跨比導(dǎo)致抗風(fēng)能力薄弱，大橋采用抗風(fēng)纜、風(fēng)嘴和格柵橋面來提高自身的抗風(fēng)能力[2-3]。湖南張家界大峽谷人行橋加勁梁初步設(shè)計(jì)斷面顫振穩(wěn)定性較差，尤其是外傾式低透風(fēng)率欄桿結(jié)構(gòu)不利于提高顫振穩(wěn)定性，最終采用普通格柵高透風(fēng)率欄桿，并加裝梁端風(fēng)嘴以及下穩(wěn)定板綜合氣動(dòng)措施解決了顫振穩(wěn)定性問題[4]。1993 年建成的捷克斯維斯灣橋?yàn)橐蛔�大跨預(yù)應(yīng)力混凝土人行懸索橋，主跨為 252m，梁高僅為 0.4m，高跨比達(dá) 1:630，該橋以其創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，于 1994 年獲得在美國華盛頓召開的第 12 屆 FIP 大會(huì)頒發(fā)的杰出工程結(jié)構(gòu)大獎(jiǎng)，大橋通過斜置橋塔和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索來提高整體剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性，研究表明該橋由于自身頻率較低，對行人荷載并不敏感，幾何縮尺比為 1:130 的氣動(dòng)彈性風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了該橋具有良好的氣動(dòng)穩(wěn)定性[8]。Tanaka 通過在某人行懸索橋跨中添加緊扣纜索與主梁的夾鎖裝置，可以大大減小跨中豎向撓度，提高顫振臨界風(fēng)速，且抑制了渦激振動(dòng)[26]。Flaga 研究了四座不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的大跨人行懸索橋氣動(dòng)性能，研究表明傾斜主纜、水平桁架、水平拱等懸索橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力能滿足需求[27]。

Luca Salvatori 通過一個(gè)兩斷面簡化模型分析了懸索橋結(jié)構(gòu)非線性與風(fēng)速跨向相關(guān)性對顫振穩(wěn)定性的影響，對于 100m 主跨的輕人行懸索橋算例分析發(fā)現(xiàn)，線性計(jì)算會(huì)人為減小顫振臨界風(fēng)速，風(fēng)速跨向全相關(guān)會(huì)低估結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[28]。Taylor 通過離散渦數(shù)值模擬和 POD 方法研究了一座π形主梁人行橋的氣動(dòng)特性與氣弾穩(wěn)定性，研究發(fā)現(xiàn)π形裸梁具有較好的顫振穩(wěn)定性，但是在π形主梁梁端敷設(shè)欄桿會(huì)降低顫振穩(wěn)定性，不同形式的欄桿對顫振穩(wěn)定性的影響也不同[29-30]。

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第二章 大跨加勁梁人行懸索橋動(dòng)力特性研究

橋梁動(dòng)力特性有助于認(rèn)識和預(yù)判橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，頻率（周期）、模態(tài)質(zhì)量以及振型是橋梁動(dòng)力特性的主要參數(shù)。進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)力荷載分析均依賴于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，有限元分析方法是獲取橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性直接而有效的手段。本章即基于有限元分析方法對大跨加勁梁人行懸索橋動(dòng)力特性展開詳致分析，分析多種設(shè)計(jì)方案的動(dòng)力特性，分析幾種極端狀態(tài)的動(dòng)力特性，為相關(guān)人行懸索橋設(shè)計(jì)提供一定的參考，同時(shí)本章計(jì)算的寬加勁梁設(shè)計(jì)方案以及極端狀態(tài)等動(dòng)力特性也為本文后續(xù)章節(jié)風(fēng)洞試驗(yàn)提供了模型設(shè)計(jì)基本參數(shù)。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算理論
結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析就是矩陣特征值分析，其中特征值對應(yīng)于頻率，特征向量對應(yīng)于振型。對于橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，一般可以忽略阻尼和非線性的影響。纜索承重橋梁的纜索應(yīng)力對結(jié)構(gòu)體系剛度有很大貢獻(xiàn)，所以模態(tài)分析前首先要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算，并將結(jié)構(gòu)的應(yīng)力剛度矩陣[S]計(jì)入結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程中，

本文采用 Block Lanczos 方法進(jìn)行模態(tài)分析求解，該方法是經(jīng)典 Lanczos 的改進(jìn)，用于求解系統(tǒng)的特征值問題，具有求解速度快、可以指定特征值范圍等特點(diǎn)。在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)節(jié)段模型質(zhì)量系統(tǒng)模擬時(shí)應(yīng)使用考慮全橋振動(dòng)效應(yīng)和振動(dòng)空間特性的主梁等效質(zhì)量和等效質(zhì)量慣矩[32]，由于橋梁結(jié)構(gòu)對風(fēng)響應(yīng)的特點(diǎn)，一般只關(guān)心主梁結(jié)構(gòu)一階豎彎模態(tài)與一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)對應(yīng)的等效質(zhì)量與等效質(zhì)量慣矩，通常選取一組頻率較低的反對稱豎彎、扭轉(zhuǎn)基頻或者正對稱豎彎、扭轉(zhuǎn)基頻。主梁等效質(zhì)量和等效質(zhì)量慣矩可按下式計(jì)算：

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2.2 不同設(shè)計(jì)方案的動(dòng)力特性
本文主要以山東臨沂天蒙景區(qū)人行懸索橋?yàn)檠芯勘尘�，該橋的初步設(shè)計(jì)方案與施工圖設(shè)計(jì)方案有較大不同，主要原因就在于抗風(fēng)層面的考慮。垂跨比、抗風(fēng)纜、中央扣等結(jié)構(gòu)方案對結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有著不同程度的影響。本小節(jié)將針對這些方案展開動(dòng)力特性對比分析，研究不同結(jié)構(gòu)方案對動(dòng)力特性的影響。
2.2.1 窄加勁梁設(shè)計(jì)方案
天蒙景區(qū)人行懸索橋位于山東省臨沂市費(fèi)縣東北部蒙山天蒙旅游區(qū)內(nèi)，該旅游區(qū)規(guī)劃范圍北至和蒙陰、沂南交界處，南至日東高速沿線，西至和平陰、蒙陰交界處，東至京滬高速沿線。大橋設(shè)計(jì)跨越深谷連接望海樓和玉皇頂兩個(gè)景點(diǎn)，2012 年提出大橋的初步設(shè)計(jì)方案，本文稱之為窄加勁梁設(shè)計(jì)方案。初步設(shè)計(jì)方案為主跨 420m 單跨雙塔加勁梁懸索橋，初步設(shè)計(jì)立面布置如圖 2.1 所示，大橋橫跨最大深度 143m 的山谷，跨徑組合為 38+420+48m，橋面無縱坡，橋面距離望海樓側(cè)山頂 76m，距離玉皇頂側(cè)山頂 36m。采用較小的矢跨比 1/12 來提高橋面高度和增加結(jié)構(gòu)剛度，兩根主纜中心距為 3m，吊桿縱向間距 3m。橋面板兩端設(shè)置風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)，加勁梁梁端設(shè)置兩根抗風(fēng)纜，抗風(fēng)纜跨中到兩端的傾角變化范圍為 32°~37°，受地形限制，兩側(cè)抗風(fēng)纜錨固點(diǎn)并不對稱。橋塔采用混凝土框架式結(jié)構(gòu)，錨碇采用重力式錨碇。

初步設(shè)計(jì)加勁梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面見圖 2.2，加勁梁為縱橫型鋼組合體系，梁寬為 3.5m。橫梁采用 28b 型工字鋼，橫梁順橋向間距 3.0m，橫梁與橫梁之間設(shè)置由 100×100×12mm角鋼組成的“X”撐進(jìn)行加勁，以提高主梁剛度和穩(wěn)定性，橫梁上部設(shè)置 4 道縱梁，縱梁采用 20b 型工字鋼，縱梁與橫梁通過焊接連接�？v梁上面鋪設(shè) 3 塊厚度 10cm 寬度 80cm混凝土橋面板，橋面板上鋪 3mm 厚塑膠，橋面板通過高強(qiáng)螺栓與縱梁連接，橋面板兩側(cè)設(shè)置風(fēng)嘴。主梁在橋塔中心線處設(shè)置伸縮縫，橋塔處主梁下方設(shè)置豎向支座，主梁梁端側(cè)向設(shè)置抗風(fēng)支座。護(hù)欄網(wǎng)方孔基本尺寸 16mm，金屬絲直徑 3.15，參考標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T5330-2003，篩分面積百分率為 69.8%，即透風(fēng)率為 69.8%。橋塔采用鋼筋混凝土門形框架結(jié)構(gòu)，包括塔柱、橫梁以及附屬設(shè)施（爬塔、防雷系統(tǒng)、景觀照明等預(yù)埋件）。塔柱和上橫梁均采用 C50 混凝土，塔頂截面 2m（順橋向）×1.5m（橫橋向），塔底截面 2.5m（順橋向）×2m（橫橋向），上橫梁截面為 1.5m×1.5m。左右兩側(cè)塔柱中心間距：塔頂 3.0m，塔底 6.0m。塔柱均采用倒圓角矩形實(shí)心斷面，圓角半徑為 0.1m，橋塔總高度為 37.58m。

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第三章 大跨加勁梁人行懸索橋靜風(fēng)穩(wěn)定性研究...........................27
3.1 橋梁非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性理論及其有限元分析.......................... 27
3.1.1 橋梁非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性分析理論...................................27
第四章 大跨加勁梁人行懸索橋渦振與抖振研究...........................59
4.1 加勁梁節(jié)段模型渦振試驗(yàn)研究........................................59
4.1.1 渦振試驗(yàn)設(shè)計(jì)...............................................59
第五章 大跨加勁梁人行懸索橋顫振穩(wěn)定性研究........................87
5.1 橋梁顫振分析理論............................................87

5.1.1 橋梁顫振自激力........................................... 87

第五章 大跨加勁梁人行懸索橋顫振穩(wěn)定性研究

顫振是發(fā)散性的自激振動(dòng)，抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須保證橋梁具有足夠的顫振穩(wěn)定性。大跨人行懸索橋具有加勁梁寬度小，質(zhì)量輕等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以顫振穩(wěn)定性問題有可能是制約橋梁設(shè)計(jì)的瓶頸。目前橋梁顫振分析主要是采用 Scanlan 線性自激力理論，從分析方法上又分為頻域法和時(shí)域法，顫振頻域分析基于復(fù)模態(tài)分析技術(shù)，顫振時(shí)域分析主要是基于階躍函數(shù)和單位脈沖響應(yīng)函數(shù)解決自激力的時(shí)域化。本章主要研究（1）基于二維加勁梁節(jié)段模型顫振試驗(yàn)，進(jìn)行大跨人行懸索橋顫振氣動(dòng)性能加勁梁斷面比選，確定大跨人行懸索橋加勁梁顫振穩(wěn)定性優(yōu)化氣動(dòng)斷面；（2）基于加權(quán)最小二乘迭代法（WLS）采用MATLAB 編制橋梁斷面自由振動(dòng)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識別程序，并解決高風(fēng)速區(qū)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的識別精度與效率問題；（3）基于 ANSYS 編制橋梁全模態(tài)三維顫振分析程序，并進(jìn)行分析程序的有效性驗(yàn)證；（4）基于所編制的橋梁顫振分析程序，進(jìn)行顫振分析影響參數(shù)研究，研究靜風(fēng)附加風(fēng)攻角、側(cè)向氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)、結(jié)構(gòu)阻尼比等參數(shù)對橋梁顫振穩(wěn)定性的影響。

5.1 橋梁顫振分析理論
5.1.1 橋梁顫振自激力

現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)研究起于 1940 年美國華盛頓州塔科馬大橋的風(fēng)振坍塌事故，該橋主跨長 853.4m，加勁梁型式為低矮桁架，橋?qū)?11.9m，梁高僅 1.3m，在 19m/s 的風(fēng)速下即發(fā)生顫振發(fā)散破壞。此后著名橋梁工程師 O.H.Ammannhe 和著名力學(xué)大師 Von Karman以及 Fr.Bleich 組成的調(diào)查小組開始應(yīng)用航空空氣動(dòng)力學(xué)的研究成果和方法來分析事故原因，開創(chuàng)了橋梁氣動(dòng)彈性研究。橋梁顫振自激力是橋梁顫振分析的核心，對橋梁顫振穩(wěn)定性的認(rèn)識是伴隨著顫振自激力模型的不斷演進(jìn)而加深的。1948 年 Bleich 最早采用 Theodorson 平板氣動(dòng)力公式[100]通過半逆解法來分析懸索橋桁架加勁梁的顫振穩(wěn)定性[101]，繼 Bleich 之后，，Kloppel 和Thiele 提出了一種變系數(shù)圖解法，仍然采用 Theodorson 函數(shù)求解橋梁顫振臨界風(fēng)速，但是引進(jìn)了一個(gè)依賴實(shí)際橋梁斷面的折減系數(shù)進(jìn)行修正[102]；Bleich 的顫振分析模型建立在理想薄平板理論基礎(chǔ)之上，而實(shí)際橋梁鈍體斷面伴隨著氣流的分離與再附現(xiàn)象，直接用勢流理論進(jìn)行簡單處理顯然是不合理的，只有建立橋梁分離流顫振模型才能正確分析橋梁顫振穩(wěn)定性。1966 年，Sakata 發(fā)表了基于實(shí)測氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的橋梁顫振分析論文；1967年，Scanlan 首先提出對 Theodorson 平板氣動(dòng)力表達(dá)式進(jìn)行修正的建議[103]，后來，Scanlan對比了橋梁斷面和機(jī)翼斷面顫振導(dǎo)數(shù)的本質(zhì)差別，建立橋梁結(jié)構(gòu)的分離流扭轉(zhuǎn)顫振理論，通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)來測定小振幅條件下的顫振導(dǎo)數(shù)，建立了二維線性非定常氣動(dòng)力計(jì)算模型[104-106]。后來 Sarkar 和 Jones 等人計(jì)入了側(cè)向自由度的影響，建立了 18 個(gè)顫振導(dǎo)數(shù)的三維線性自激力表達(dá)式（公式 5.1），進(jìn)一步完善了橋梁分離流顫振分析模型[107-109]。

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第六章 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)性的研究了主跨 420m 量級的加勁梁人行懸索橋的風(fēng)致穩(wěn)定性，對不同設(shè)計(jì)方案及極端狀態(tài)的動(dòng)力特性、靜風(fēng)穩(wěn)定性、渦振與抖振及顫振穩(wěn)定性進(jìn)行了全面詳致的研究，本章對本文研究工作進(jìn)行梳理總結(jié)，并對進(jìn)一步研究進(jìn)行展望。

6.1 主要研究結(jié)論
本文第一章首先歸納總結(jié)了大跨加勁梁人行懸索橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并指出其特殊性，羅列了大跨加勁梁人行懸索橋設(shè)計(jì)及運(yùn)營過程中出現(xiàn)的問題，綜述了大跨加勁梁人行懸索橋抗風(fēng)研究的相關(guān)案例研究，針對其具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給出了大跨加勁梁人行懸索橋的抗風(fēng)適用措施，后續(xù)章節(jié)對結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性、渦振與抖振及顫振穩(wěn)定性展開了具體研究。
1．對大跨加勁梁人行懸索橋不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及可能出現(xiàn)的極端狀態(tài)進(jìn)行了動(dòng)力特性研究，主要研究結(jié)論為：
（1）隨著垂跨比的增大，加勁梁側(cè)彎與豎彎基頻均降低，但是加勁梁扭轉(zhuǎn)基頻卻增大；抗風(fēng)纜措施可以大幅提高大橋的各階頻率，是提高結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的十分有效的措施；中央扣措施對側(cè)彎和豎彎基頻模態(tài)頻率和等效質(zhì)量幾乎沒有影響，但是可以大幅提高扭轉(zhuǎn)基頻，同時(shí)也大幅增大扭向等效質(zhì)量慣矩。
（2）欄桿護(hù)網(wǎng)掛冰狀態(tài)對主跨 420m 的加勁梁人行懸索橋的動(dòng)力特性影響很�。划�(dāng)橋面上作用高密度行人流后，各階頻率降低明顯，其豎向等效質(zhì)量和扭向等效質(zhì)量慣矩隨之大幅增大。
2．對大跨加勁梁人行懸索橋的靜風(fēng)穩(wěn)定性展開了細(xì)致研究，主要研究結(jié)論為：

（1）基于正交分解方法推導(dǎo)了考慮結(jié)構(gòu)變形的斜風(fēng)有效風(fēng)攻角與風(fēng)偏角，給出了斜風(fēng)作用的法向三分力和水平向風(fēng)摩阻力的計(jì)算公式。基于 ANSYS 編制了可以考慮斜風(fēng)作用的橋梁非線性靜風(fēng)失穩(wěn)計(jì)算分析程序，凡是能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)位形變化的范數(shù)都可以作為失穩(wěn)判據(jù)，選擇范數(shù)收斂容差大小的關(guān)鍵在于要保證小于結(jié)構(gòu)靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速首次迭代計(jì)算的最大范數(shù)值。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：356734