风-浪作用下采用张力腿基础的大跨浮式悬索桥动力响应研究

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我国已修建的大跨度桥梁都采用固定式基础,然而当海底水深较深且土质较软时,传统的固定式基础很难继续满足未来建设跨海桥梁工程的需要。为解决上述问题以及满足通航要求,国外研究人员提出了采用张力腿基础(Tension Leg Foundation)的大跨浮式悬索桥设计概念。在大跨浮式悬索桥的设计与分析过程中,应着重考虑风荷载和波浪荷载的组合。而目前风–浪荷载作用下大跨浮式悬索桥的动力响应研究仍然较少,亟需对它进行更加细致的研究。本文以采用张力腿基础的大跨浮式悬索桥设计方案为研究对象,通过数值模拟结合理论推导的研究手段,对其在风–浪荷载作用下的动力响应开展了细致的分析与研究。主要研究内容包括:(1)归纳总结了三种用于跨越Bj(?)rnafjorden峡湾的采用张力腿基础的大跨浮式悬索桥设计方案,比较了各设计方案中的设计参数以及模态分析结果。对比发现,不同的张力腿基础型式会显著地改变与张力腿基础运动相关模态以及主梁竖向模态的自振周期。(2)验证了随机风荷载模拟方法以及随机波浪荷载模拟方法的正确性,发展了基于AQWA–USFOS多软件融合的浮式桥梁动力分析方法。通过时域分析以及功率谱分析,讨论了张力腿基础动水附加质量和附加阻尼定义方法的合理性。分析表明,张力腿基础的动力响应主要由一阶模态与二阶模态主导,在相应周期范围内结构的运动响应受附加质量与附加阻尼的变化影响较小,可将一阶周期对应的附加质量和附加阻尼值用于浮式结构的分析计算。(3)探明了风荷载空间相干性、二阶波浪荷载、方向分布参数、浮式基础对采用张力腿基础的大跨浮式悬索桥动力响应的影响。通过时域分析得到了主梁振动及内力响应结果,并通过谱分析揭示了运动模态的影响机理。结果表明考虑风荷载空间相干性会使结构响应变小;二阶波浪荷载会显著增大结构横向运动响应;方向分布参数的选取对运动响应有较大影响。(4)研究了张力腿基础淹没深度、张力腿拉索倾角、桥塔高度等结构参数对风–浪荷载下大跨浮式悬索桥动力响应的影响。通过时域分析得到主梁振动及内力响应结果,研究发现,合理的设计参数能有效地降低大跨浮式悬索桥在风–浪荷载作用下的响应。
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