三塔斜拉桥三维颤振的分析

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1、分类号密级UDC学校代码10497学位论文题目三塔斜拉桥三维颤振分析英文THREE-DIMENSIONALFLUTTERANALYSISOF题目CABLE-STAYEDBRIDGESWITHTHREETOWERS研究生姓名王雅琪姓名杨德灿职称教授学位博士指导教师单位名称武汉理工大学邮编430063申请学位级别硕士学科专业名称公路桥梁与渡河工程论文提交日期2015年4月论文答辩日期2015年5月学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席评阅人2015年5月万方数据独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和

2、致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人承诺所提交的学位论文（含电子学位论文）为答辩后经修改的最终定稿学位论文，并授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉

3、理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：导师（签名）：日期万方数据摘要斜拉桥相比于梁式桥，其整体刚度较小，而三塔斜拉桥相比于独塔或双塔斜拉桥，由于中间两跨缺少辅助墩和过渡墩的帮助，使其刚度更小，柔度更大。正是由于柔度的增大，三塔斜拉桥的动力响应会比较明显，振幅较大。斜拉索的大振幅振动是十分不利的，其一斜拉索会产生疲劳破坏，其二斜拉桥存在主梁和斜拉索耦合振动，索的大幅振动势必会对主梁产生明显的影响，所以研究斜拉索的局部振动是十分必要的。同样由于斜拉桥的轻质量和小刚度，它对风致颤振稳定性十分

4、敏感。所以确定颤振临界风速来判断桥梁的颤振稳定性是大跨径多塔斜拉桥设计的关键问题。本文将研究三塔斜拉桥的自振特性，并分析斜拉索的局部振动对其动力特性的影响；研究三塔斜拉桥的颤振特性，确定颤振临界风速；讨论斜拉索局部振动对颤振特性的影响。采用三维空间有限元法对三塔斜拉桥进行自振特性分析，提取模态分析结果。建立能够反映斜拉索局部振动的模型，进行模态分析，与之前的结果对比，分析索的局部振动对自振特性的影响。对于三塔斜拉桥的颤振分析，本文采用全模态的分析方法。首先采用Scanlan的自激气动力模型确定梁和索的气动力，并将其转化为矩阵的表达形式。将有限元软件（ANSYS）的刚度矩阵单元和阻尼

5、矩阵单元添加到相应的梁单元和索单元上，与结构本身的刚度矩阵和阻尼矩阵相叠加，构成系统（气动力和结构组成）的整体刚度矩阵和阻尼矩阵，并通过有限元的带阻尼的求解器进行模态分析。为了方便进行不同风速下的模态分析，采用命令流编程功能，并通过宏调用这些程序进行分析，从而得到不同风速下结构的振型和频率，并绘制阻尼比随风速变化的曲线。在求零阻尼比对应的风速时采用插值的方法逐渐逼近，从而得到颤振模态和颤振临界风速。本文以某大跨径三塔斜拉桥为实例，建立三维有限元模型，对无阻尼和有阻尼两种情况进行了模态分析，并提取了前20阶模态的频率。之后用多链杆模型模拟斜拉索，计入索的局部振动，进行模态分析。计算结

6、果表明索的局部振动对结构的自振特性有明显的影响，对高阶模态的影响要比低阶模态大，在竖弯、侧弯和扭转三种模态中，对扭转模态的影响较大，达到4%左右。对于颤振分析，成功提取了几阶模态在不同风速下的频率和阻尼，并绘制了阻尼比随风速变化的曲线，用插值方法进行迭代计算得到了颤振临界风速和颤振形态。I万方数据研究表明，采用本文的方法可以利用通用有限元软件完成对三塔斜拉桥的三维颤振分析。索的局部振动会对桥梁结构的固有模态产生一定影响，特别是对可能发生颤振的扭转模态，可见索的局部振动也会影响结构的颤振特性。关键词：三塔斜拉桥；模态分析；自激气动力；颤振导数；颤振分析；气动弹性II万方数据Abstr

7、actWhiletheoverallstiffnessofcable-stayedbridgesissmallcomparingwithbeambridges,thestiffnessofthreetowerscable-stayedbridgesissmallercomparedwithdoubletowerorsingletowercable-stayedbridges,becauseitislackofmiddleauxiliarypiersandtransit