考虑拉索非线性振动的超大跨径斜拉桥气动稳定性研究

随着斜拉桥建设的超大跨特性，超长索的非线性振动对超大跨径斜拉桥的静风稳定性和颤振稳定性及其机理的影响，目前的研究不是十分明确。超长索非线性带来的这些空气动力学问题必须尽快加以解决。本项目的研究则考虑这种非线性振动的影响，首先提出一种多质点索单元力学模型；进行考虑拉索垂度、拉索静风变形等非线性效应的静风稳定性研究；探讨超大跨径斜拉桥静风失稳发生过程及其机理；对拉索自激力特性进行研究，提出拉索自激力数学模型；考虑拉索振动和拉索自激力的影响，改进缆索承重桥梁三维耦合颤振分析程序；超长索的非线性会引起主梁的大攻角变形，因此需要对主梁附加攻角引起的自激气动力非线性效应进行试验研究；考虑主梁非线性气动力进一步改进颤振分析程序；探讨拉索自激力、拉索非线性振动、主梁非线性气动力等因素对超大跨径斜拉桥颤振稳定性的影响，并探讨超大跨径斜拉桥颤振发生过程及其机理。 2100433B

超大跨径斜拉桥的几何非线性、初始和附加攻角引起的气动力非线性非常明显，如何精确分析风荷载已经成为超大跨径斜拉桥设计的关键问题。本课题首先从气动力表达式出发，利用拉条模型和全桥气弹模型进行颤振导数识别，研究主梁断面气动力特性；然后利用数值风洞仿真计算和物理风洞试验研究斜拉索和桥塔气动力，提出斜拉索自激力模型，从而提出超大跨径斜拉桥三维非线性颤振理论；进一步完善紊流场中气弹模型气动导纳识别方法和抖振分析理论；最后发展形成一套较为完善的适用于超大跨径斜拉桥的精细化风荷载计算理论。 2100433B

以斜拉桥的整体模型为研究对象，提出能计算参数振动、高阶调和振动等非线性振动的索的有限元单元；在已有研究基础上，形成基于斜拉桥整体分析的拉索非线性振动有限元方法，并编制相应的斜拉桥计算程序。通过单根索的动力试验、斜拉桥的有机玻璃模型试验和实际斜拉桥的动力测试试验，验证并修正所提出的方法；采用所提出的方法进行包括索的非线性振动和主梁、主塔振动在内的斜拉桥整体振动的参数分析，给出各种环境荷载下索的非线性振动对斜拉桥主梁、主塔及斜拉索自身的影响程度。与现有的计算方法相比，避免了在整体分析前需要单独进行的索局部振动数值分析的繁琐过程，可提高计算效率与精度，更重要的在于它不再采用索的局部振动不会影响桥梁主要结构的振动的假定，从而可更精确、方便地进行斜拉桥设计中的动力计算。成果可为采用超长斜拉索的大跨度斜拉桥的有限元分析提供更准确的手段。预计在国内外一流刊物上发表论文3-4篇。 2100433B