山区悬索桥基于现场实测的平均风统计分析及风致疲劳研究

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对于大跨度悬索桥而言,对极值风如台风作用下结构的强度、刚度及稳定性等问题的探讨是现阶段抗风研究关注的重点,而依托现场实测手段对环境风场长期作用下所导致的结构疲劳方面的研究则相对较少。山区大跨柔性悬索桥在峡谷地形风场长期作用下的抖振响应十分显著,桥梁构件在脉动风荷载长期作用下导致的疲劳损伤不容忽视,严重情况下甚至会危及桥梁的整体安全。因此,对山区大跨度悬索桥进行风振疲劳的寿命预测,对其结构耐久性设计及安全评定具有极其重要的意义。本文采用风振响应与疲劳累积损伤等理论分析及现场实测的研究方法,依托某山区悬索桥结构健康监测系统的风场实测数据,运用数据处理软件MATLAB及通用有限元分析软件ANSYS,基于统计及时域分析方法,进行了以下三个方面的主要工作:(1)利用山区悬索桥风场监测系统的现场实测风速资料,基于统计方法,通过建立威布尔风速-风向联合分布概型对该桥位处平均风速、风向的分布规律进行了具体分析。结果表明:双参数威布尔分布概率模型能较好地拟合各风向的平均风速分布,适用于对平均风速作统计描述。另外各风向的平均风速分布主要集中在低风速区域,高风速发生的相对频度较小。(2)采用参数化设计语言APDL建立桥梁的空间有限元模型,基于有限元方法对加劲梁相应截面进行了抖振响应时域分析,得到截面相应杆件的应力响应时程,为下文进行抖振疲劳损伤分析奠定基础。(3)利用上述疲劳风荷载分析结果以及抖振响应时域分析方法,进而对山区悬索桥加劲梁在考虑风向影响下的抖振疲劳寿命进行了相应分析。结果表明:当风向一定时,加劲梁的疲劳寿命随着风速的增大呈现出大幅降低的趋势;另外当风速一定时,不同风向作用下在加劲梁上引起的疲劳损伤也具有较大差异,表明风向对结构抖振疲劳寿命的影响不可忽略。同时可以发现当风速一定时,不考虑风向影响下的抖振疲劳寿命相较考虑风向影响时会更短,表明在进行结构风振疲劳设计时,不考虑风向产生的影响将会更为保守。基于桥位处现场实测风速数据对山区悬索桥风致抖振响应以及环境风荷载长期作用于结构所引起的疲劳累积损伤进行了相应分析,从而可为运营期内大桥的抗风安全性评估提供相应依据,同时也可为山区同类型大跨度桥梁的抗风设计提供有利参考。
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