大跨加劲梁人行悬索桥风致稳定性研究

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1、大跨加劲梁人行悬索桥风致稳定性研究-->第一章绪论桥梁是跨越障碍的结构，桥梁的发展与人类社会发展相伴而生。从结构功能来讲，桥梁可以分为人行桥、公路桥、铁路桥、特殊用途桥。人行桥应该是人类最早出现的桥梁，河边倒下的大树可以供原始人方便通过，这可能是最早的人行桥的雏形。古代社会生产力低下，交通工具有限，跨越沟谷河流的桥梁基本上就是供行人通行，这些桥梁多数都是柔性悬索结构的桥梁，主要受力构件为缆索，缆索甚至可以布置成桥面结构，非缆索的桥面基本也不参与受力，仅仅是一个传力构件，时至今日，这类柔性的人行桥还是应用广泛，比如中央红

2、军著名的飞夺泸定桥就是属于柔性悬索结构的铁索桥。这种柔性悬索结构的桥梁由于专供行人使用所以其承受荷载较小，往往这类桥梁设计简单，甚至多数采用经验建成，而且这类极端柔性的桥梁对于动力荷载具有极大的适用性，甚至不用考虑动力荷载的影响，但是采用柔性主梁的人行悬索桥使用舒适性较差，而且也存在一定的使用安全隐患。除了这类柔性人行桥之外，还有一种具有加劲梁结构的人行桥，加劲梁式人行桥具有较好的使用舒适性，所以具有良好的应用前景。按照结构受力特点来分，理论上这类人行桥可以选用梁式桥、拱式桥、斜拉桥、悬索桥、组合体系桥等五大类型；依据

3、跨度适用性来分，梁式桥和拱式桥的跨度有限，而缆索支撑体系桥梁跨越能力较大，所以跨越大型山谷或者较宽河流的桥梁多采用悬索桥结构，比如已建成的跨越173m深谷的主跨390m的日本九重梦大桥、跨越143m深谷的主跨420m的中国山东天蒙景区人行悬索桥、跨越300m深谷的主跨385m的张家界大峡谷人行悬索桥，以及计划修建的跨越景观河流的主跨369m的中国四川凤垭山景区孝心桥。对于这些具有加劲梁结构的大跨人行悬索桥一般桥面较窄（日本九重梦大桥的桥面宽度仅为1.5m），刚度较小，其自振频率较小，结构的动力稳定性较差，而且往往跨越深

4、切峡谷，桥址风环境恶劣，容易引发较大振幅的风致振动，所以抗风设计是这类桥梁的重要方面。......1.2大跨加劲梁人行悬索桥抗风研究现状大跨桥梁的现代抗风研究已经走过70余年，虽然现有理论模型存在很多假定，需要完善和进一步分析的问题很多，但是当前桥梁抗风理论已经基本满足桥梁工程建设的需要，针对公路或铁路大跨桥梁的抗风应用研究比较广泛，对于车载桥梁的抗风性能应用研究也已经较为充分。由于很多大跨人行桥采用索道桥，这类桥梁对风荷载适用性较强几乎不需要进行抗风设计，而具有加劲梁结构的大跨人行悬索桥目前数量不多，所以当前专门针对

5、大跨加劲梁人行悬索桥的抗风研究并不多。1.2.1既有研究案例日本九重梦人行悬索桥因为极小的宽跨比和高跨比导致抗风能力薄弱，大桥采用抗风缆、风嘴和格栅桥面来提高自身的抗风能力[2-3]。湖南张家界大峡谷人行桥加劲梁初步设计断面颤振稳定性较差，尤其是外倾式低透风率栏杆结构不利于提高颤振稳定性，最终采用普通格栅高透风率栏杆，并加装梁端风嘴以及下稳定板综合气动措施解决了颤振稳定性问题[4]。1993年建成的捷克斯维斯湾桥为一座大跨预应力混凝土人行悬索桥，主跨为252m，梁高仅为0.4m，高跨比达1:630，该桥以其创新的设计，

6、于1994年获得在美国华盛顿召开的第12届FIP大会颁发的杰出工程结构大奖，大桥通过斜置桥塔和体内预应力索来提高整体刚度和抗风稳定性，研究表明该桥由于自身频率较低，对行人荷载并不敏感，几何缩尺比为1:130的气动弹性风洞试验验证了该桥具有良好的气动稳定性[8]。Tanaka通过在某人行悬索桥跨中添加紧扣缆索与主梁的夹锁装置，可以大大减小跨中竖向挠度，提高颤振临界风速，且抑制了涡激振动[26]。Flaga研究了四座不同结构特点的大跨人行悬索桥气动性能，研究表明倾斜主缆、水平桁架、水平拱等悬索桥结构抗风能力能满足需求[27

7、]。LucaSalvatori通过一个两断面简化模型分析了悬索桥结构非线性与风速跨向相关性对颤振稳定性的影响，对于100m主跨的轻人行悬索桥算例分析发现，线性计算会人为减小颤振临界风速，风速跨向全相关会低估结构的响应[28]。Taylor通过离散涡数值模拟和POD方法研究了一座π形主梁人行桥的气动特性与气弾稳定性，研究发现π形裸梁具有较好的颤振稳定性，但是在π形主梁梁端敷设栏杆会降低颤振稳定性，不同形式的栏杆对颤振稳定性的影响也不同[29-30]。......第二章大跨加劲梁人行悬索桥动力特性研究桥梁动力特性有助于认识

8、和预判桥梁结构的动力响应，频率（周期）、模态质量以及振型是桥梁动力特性的主要参数。进行风洞试验、动力荷载分析均依赖于结构动力特性，有限元分析方法是获取桥梁结构动力特性直接而有效的手段。本章即基于有限元分析方法对大跨加劲梁人行悬索桥动力特性展开详致分析，分析多种设计方案的动力特性，分析几种极端状态的动力特性，为相关人行悬索桥设计提供