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考虑风振影响对斜拉桥混凝土主塔的土木工程疲劳分析研究

时间:2018-03-21 19:59来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇土木工程论文,土木工程是建造各类土地工程设施的科学技术的统称。它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术活动,也指工程建设的对
本文是一篇土木工程论文,土木工程是建造各类土地工程设施的科学技术的统称。它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术活动,也指工程建设的对象。即建造在地上或地下、陆上,直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施,例如房屋、道路、铁路、管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、给水排水以及防护工程等。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪 论
 
1.1 斜拉桥介绍
1.1.1 斜拉桥的发展历程及特点
几个世纪之前,原始竹制桥的开始出现展示了斜拉桥的雏形。但是由于局限于当时的斜拉桥设计理论及科技文明的限制,在短期内,对于斜拉桥的理论研究与在工程中的实际应用一度裹步不前。但是随着人类科技文化的发展及桥梁制造工艺和材料的进步,斜拉桥的活力逐渐被唤醒。世界上第一座现代斜拉桥在委内瑞拉于 1962 年落成,它的跨掱进为 160m+5×235m×160m,其在世掱界现代混凝土斜拉桥的历史上具有重要意义,开启了世界现代混凝土斜拉桥的建设与应用的先河。此后斜拉桥如雨后春笋般在全球落成。她如一位婀娜多姿的少女,成为当地的一道风景。斜拉桥真正在中国桥梁建设中的运用要追溯到上个世纪 70 年代[1]。但是开启我国斜拉桥建设事业的斜拉桥当属 20 世纪八十年代建造的两种混凝土斜拉桥,在此基础上,我国工程师总结了大量的设计理论与实践经验。随后,斜拉桥在全国各地的建设开始呈现一派生机勃勃的气象。现今,我国在斜拉桥的建设与设计理论方面上都处于世界前茅,现今世界上第一跨径的斜拉桥—苏通长江公路大桥,它于 2010 年落成通车,是我国工程界首次获得美国土木协会颁发的土木工程杰出成就奖,在跨度、塔基的深度、桥塔的高度、拉索的长度等方面保持着世界纪录。此外我国还包揽世界跨径的纪录的第二名、第三名。
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1.2 斜拉桥风荷载研究现状
桥梁风工程研究主要是研究风对结构的作用以及结构对这种作用的响应,从而得到有效减小结构对风振的响应方法和结构破坏的损失。对风效应的研究主要有三个要素考虑:风荷载、风环境和结构响应。1.风荷载—是风与结构相互作用的结果,即是风对结构的作用。风本身就是具有随机性和波动性,当它流过微振中的桥梁结构表面,改变了结构表面大气压的分布状态,并且连续的变化着。这种分布的压力可划分为:顺来流方向的阻力、使桥梁产生扭转的作用力以及竖直向上的升力,即是其气动的三分力。2.风环境—桥址选定后,桥梁结构所处的风环境从气象学与微气象学中导出的一些基本的风环境资料。例如:平均风速与高度变化的关系、脉动风的流动强度与积分尺度以及与地面粗糙程度的关系等。3.结构响应—用某种无量纲的数学表达式来描述风荷载,并用结构动力学知识分析。根据数学表达式的不同,对风振问题的研究可以用频域分析或者时域分析的方法进行分析研究。对于桥梁风荷载的研究一直是桥梁领域一个非常关注的问题。如果抗风设计不善,轻者会造成使用功能障碍;重者会造成结构的灾难性损坏,使人民生命财产安全严重受损。而对于斜拉桥,其具有跨径大、质量轻的特点,因此对于考虑斜拉桥的抗风设计尤为重要。
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第二章 桥梁风荷载的模拟
 
2.1 等效风荷载理论背景
对于桥梁风荷载的等效计算,一直都是一个热点,并且各国规范对于风荷载的分化计算都有所不同。在英国的《BS5400》规范中,把风荷载看作为一种静力作用,忽略了脉动风的作用,只是考虑了阵风系数的概念。加拿大学者 Davenport[39]提出了一种脉动风功率谱密度概念,并根据全球多个风速测控点的风速值推导出了相应的数学表达式;其中,他将风速中的脉动分量看作是一个平稳的高斯过程,假设在频域中风速与其所处同高度无关,只是考虑了地表粗糙度和平均风速,采用随机过程中的限值穿越理论计算结构的最大响应,即阵风系数,以及在结构风荷载计算中,引入了准定常假设,提出气动导纳和气动阻尼的概念。当前我国在考虑脉动风方面上,主要是《公路桥梁抗风设计规范》[40]中建议采用的卡曼(Kaimal)功率谱表达式和帕诺夫斯基功率谱表达式。在桥梁抖振响应中,最低几阶振型的作用远大于高阶振型的作用。主要是由于结构的自振周期都会远小于自然风的作用周期,一般都会在1min~2min,由于阵风持续时间很短,而且对来流量的贡献也很小,所以对结构的抖振响应也会很小。另一方面是因为结构的自振周期很短,刚性就会更大,结构响应也就会更小。高阶振型的影响函数一般都会出现符号的变化,而且符号变号要比不变号时的响应小很多。各阶振型对结构的响应的贡献是按开方以及平方的算法进行组合的,而不是直接迭加的,这也会进一步导致高阶振型对结构响应的贡献比基阶振型的贡献小很多。
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2.2 风荷载谐波合成理论
当下模拟脉动风速时程的方法主要有三种: 简谐波合成法、线性滤波法以及小波变换法。简谐波合成法是一种利用三角级数和谱分解叠加来模拟随机过程样本的传统方法;线性滤波法的优点就是效率高,并不是无条件收敛的,需要靠经验选取参数,模拟的精度相对较差;小波变换法模拟非平稳信号时具有一定的优势,但参数的估计和选取,对精度的影响比较大,不适合模拟平稳随机过程。三者比较中,简谐波合成法模拟较合理,因为其结果精度较高、理论简单清晰、适用范围较广,所以在脉动风场模拟中的应用比较广泛。尽管其计算效率不高,需要消耗较多的计算资源,但随着计算机运算能力的提升发展,计算上的限制将得到很大的延展。一些国内外的学者采用不同的方法,也对强风记录资料进行了研究,得出了各种风速谱的公式。第一类风速谱是对强风观测记录进行相关的分析,获得相关函数及曲线,直接通过超低频滤波器测出风速的功率谱曲线,拟合出风速谱的数学表达式。该方法避免了第一类方法在理论计算过程中的误差,所求的风速谱公式里意义明确。风压谱是由空气导纳函数和风速谱的积换算出来的,它们都是风速脉动频率 n 的函数,相关函数与脉动风,风压谱、风速谱及其概率分布统计量之间的关系,如图 2-10 所示。
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第三章 斜拉桥的动力特性分析...........31
3.1 工程概况........... 31
3.2 建立有限元模型............. 33
3.3 斜拉桥的动力特性分析............... 36
第四章 斜拉桥主塔墩在风荷载作用下的疲劳响应..........45
4.1 疲劳分析的理论背景...... 45
4.2 疲劳荷载............ 46
4.3 主塔的疲劳分析.............. 54
4.3.1 疲劳曲线....54
4.3.2 平均应力的影响......55
4.3.3 雨流计数法..............56
4.3.4 主塔疲劳分析计算................56
4.4 本章小结............ 59
第五章 斜拉桥主塔的可靠度研究.................61
5.1 可靠度研究的基本理论............... 61
5.2 可靠度研究的基本验算方法....... 62
5.2.1 一次二元矩法(中心点法)..............62
5.2.2 改进一次二阶矩法(验算点法)......63
5.3 斜拉桥主塔的可靠度验算......... 64
5.3.1 疲劳累积损伤模......64
5.3.2 疲劳可靠性分析......65
5.4 本章小结......... 66
 
第五章 斜拉桥主塔的可靠度研究
 
5.1 可靠度研究的基本理论
随着现在工程结构设计对极限设计的需求越来越多,要求构筑结构的材料向高强、轻质方面越来越高,并且充分发挥材料的功能特性,以至于工程师们同时也不得不考虑整个结构的稳定性和可靠性,以及外界对结构的消耗、侵蚀等作用,也就不得不考虑结构物的可靠性,主要是对结构物进行安全性、适用性以及耐久性的评估研究。结构的可靠度一般被定义:结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定的功能的能力。它是一种判断结构失稳的定量描述,即在规定的时间内、规定的条件下,完成预定功能的概率[46]。表 5.1 为假定的因变量分别为风压荷载、C50 混凝土抗压强度、C50 混凝土密度以及 C50 混凝土弹性模量;根据假定的损伤模型功能函数 Z 以及结合上一章节应用 Midas FEA 有限元件模拟模型计算得出的损伤度数据,由表 5.2 得出损伤度 D与相应的可靠度的值,并可看出,在 100 年一遇最大平均风荷载作用下,1 万次的作用下可靠指标为 4.6,失效概率为 46.73%,100 万次的作用下可靠指标为 3.4,失效概率为 63.26%,意味着在 100 年一遇平均风荷载需要作用 100 万次,失效概率才将超过 50%,也就需要 100 年才失效,因此可以认为该作用下斜拉桥桥墩是可靠的,但还是要考虑该作用对桥墩的影响。
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结论
 
本文结合了大跨斜拉桥的特点,以实际工程奉节某长江大桥作为研究背景,并应用有限元软件 Midas Civil/FEA 为建模验算平台,在风荷载作用下,对该桥运营阶段的主塔进行疲劳分析研究,得出了以下结论:
1.根据加拿大 Davenport 风速谱和 Shinozuka 的理论出发,采用简谐波叠加法模拟脉动风荷载,首先应用 Midas Civil 有限元软件对斜拉桥及主塔模型进行结构的特征值分析,得到斜拉桥及其主塔模型的固有频率和周期;再应用风时程生成程序 WINDHIST PRODUCER V2.0,对主塔结构的两点进行风荷载的模拟,根据《公路桥梁抗风设计规范》选取相应参数值,进行运算得到斜拉桥模型的脉动风速时程曲线、总风速时程曲线及总风压时程曲线;再应用 Midas FEA 有限元软件对斜拉桥主塔结构局部应力较大处进行疲劳分析,得到在该荷载作用下局部位置的寿命周期和损伤度,联系软件模拟分析出的数值与该斜拉桥主塔的实际工况大体相符。在本文的最后,运用可靠度理论对该桥主塔的疲劳进行可靠度的分析,得到与有限元软件 Midas FEA 分析的结果大体一致,对于高墩结构件,不能忽略其所受风荷载的作用。
2.通过利用简谐波叠加法模拟风荷载,并应用有限元软件对模型进行加载运算,得到合理的数值,则证明采用简谐波模拟风荷载,结合现有的有限元软件对桥梁模型的加载是可行的。该风荷载的模拟方法其优点在于数学表达式比较简单,且在理论上比较成熟完善,能够快速有效的模拟出所需要的脉动风速,以及脉动风速的相关函数、目标谱及谱值。
3.根据规范公式取值,对高墩结构进行风荷载静力分析研究,有着一定的参考价值,因为采用规范上的风荷载系数,相对而言比较保守,所以计算出来的结果是偏安全的,同时也可以判断风荷载对该桥是否起到控制作用。
4. 应用有限元软件和可靠度理论对斜拉桥主塔的疲劳分析得出,风荷载对该高墩结构的作用,是不容忽略的,尤其是对设计高强、轻质及相对柔性比较大的构筑物。
5. 通过对斜拉桥主塔进行疲劳可靠度的分析计算,与有限元软件分析计算的疲劳寿命、损伤度作比较,得出在 100 年重现期的风速作用下,该斜拉桥主塔是有必要进行受力分析,也对今后的高墩、高耸及相对柔性结构的分析研究提供参考价值。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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