摘 要

随着我国经济的快速发展，各种大跨径的缆索承重桥梁建造的数量与日俱增，跨径也水涨船高，同时也将建设方向从跨越江河，逐渐向跨越山谷和跨海发展以满足西部和东部经济发展的需要。正是因为桥梁的建设有这样的一个特点，想做到跨径大，那么桥梁就得往轻和柔的方向发展，正是因为如此，所以桥梁的抗风设计就显得重中之重，国内外都有不少因为风荷载引起的强烈振动而导致桥毁的灾难性后果。所以本文从桥梁在随机风荷载的部分动力响应进行分析，同时对悬索桥和斜拉桥模型施加等效的横向力，一方面比较了为悬索桥和斜拉桥的抗风那能力，另一方面为桥梁抗风设计提供数据参考。

本文依托已经建成的襄阳庞公大桥工程，该桥为悬索桥，通过对该桥址设计斜拉桥的方案，然后对两者的抗风能力进行比较分析。

首先，通过该桥施工图纸在满足标高和跨径的情况建立了斜拉桥的有限元模型，同时也建立了悬索桥的模型，在建立该模型之前，运用了谐波合成法模拟风场，运用截面换算得到了等效的、截面形状简单和截面形状规整的主梁和横梁截面，获得了斜拉桥和悬索桥的有限元分析模型。然后对其静力和模态分析，以验证模型的正确性。

其次，通过对桥梁通过施加随机风荷载得到了斜拉桥的位移、速度和加速度的动力响应，通过已学的概率论知识，将部分风场样本施加得到的动力响应进行上下限值的范围，从而为同类型的桥梁抗风设计提供参考。

最后，对斜拉桥模型和悬索桥模型施加同等的横向恒载，对比分析了两个模型最大的横向位移，分析两种桥型抗风能力差异的原因以及抗风能力强弱。

关键词：斜拉桥；悬索桥；ANSYS；风场模拟；谐波合成法；抖振力；上下限分析

Abstract

With the rapid development of China's economy, the number of various long-span cable bearing bridges is increasing day by day, and the span is also rising. At the same time, the direction of construction will be gradually developed from crossing rivers to crossing valleys and seas to meet the needs of economic development in the West and East. It is precisely because of such a characteristic of the bridge construction that if the span is large, then the bridge must develop in the direction of light and soft. Because of this, the wind resistance design of the bridge becomes the most important. There are many disastrous consequences of the bridge damage caused by the strong vibration caused by the wind load at home and abroad. Therefore, this paper analyzes the partial dynamic response of the bridge under random wind load, and applies equivalent lateral force to the suspension bridge and cable-stayed bridge models. On the one hand, it compares the wind resistance capacity of the suspension bridge and cable-stayed bridge, on the other hand, it provides data reference for the wind resistance design of the bridge.

This paper relies on the completed Xiangyang panggong bridge project, which is a suspension bridge. Through the design of the cable-stayed bridge at the bridge site, the wind resistance capacity of the two bridges is compared and analyzed.

First of all, the finite element model of cable-stayed bridge and the model of suspension bridge are established according to the construction drawings of the bridge. Before the model is established, the harmonic synthesis method is used to simulate the wind field, and the equivalent main beam and cross beam sections with simple section shape and regular section shape are obtained by using section conversion Finite element analysis model. Then the static and modal analysis is carried out to verify the correctness of the model.

Secondly, the dynamic response of displacement, velocity and acceleration of the cable-stayed bridge is obtained by applying random wind load to the bridge. Through the knowledge of probability theory, the upper and lower limits of the dynamic response obtained by applying some wind field samples are carried out, so as to provide reference for the wind resistant design of the same type of bridge.

Finally, the cable-stayed bridge model and the suspension bridge model are applied the same lateral dead load, and the maximum lateral displacement of the two models is compared and analyzed, and the reasons for the difference of the wind resistance capacity of the two types of bridges and the strength of the wind resistance capacity are analyzed.

Key Words: Cable stayed bridge, suspension bridge, ANSYS, wind field simulation,harmonic synthesis method,buffeting force, upper and lower limit analysis of dynamic response

目 录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2悬索桥和斜拉桥的发展简述 1

1.3大跨径桥梁抗风发展 2

1.4本文研究内容 3

第二章 风荷载与风场模拟 4

2.1自然风 4

2.1.1平均风 4

2.1.2脉动风 5

2.2脉动风场的模拟 7

2.2.1谐波合成法 7

2.2.2脉动功率谱 8

2.2.3脉动风风速时程线 9

第三章 桥梁有限元模型建立 15

3.1斜拉桥模型建立 15

3.1.1主体建模思路和操作 15

3.1.2模型细节的处理 16

3.1.3 斜拉桥有限元模型 18

3.1.4 静力、模态分析 18

3.2 悬索桥模型的建立 19

第四章 桥梁风荷载的计算 20

4.1静力三分力系数静风荷载 20

4.2静风荷载 21

4.3抖振力模型与修真抖振力计算 22

4.4抖振力 23

4.5风荷载 29

第五章 随机风作用下桥梁响应分析与横向刚度比较 30

5.1斜拉桥动力响应分析 30

5.1.1跨中节点动力响应参数的提取 30

5.1.2时域内主梁抖振响应概率分析 36

5.2两种桥型横向抗风性能比较 45

5.2.1斜拉桥模型数据提取 45

5.2.2悬索桥模型数据提取 46

5.2.3两种桥型模型的横向抗风性能对比分析 47

第六章 结论 48

参考文献 49

附录 50

致 谢 62

第一章 绪论

1.1引言

我国在经历改革开放之放后，经济获得了巨大的发展，同时也需要完善交通路网来促进经济发展。目前我国地势高低起伏，河流遍布，有着极深的河谷，也有跨度很大的河流，所以给桥梁的建设带来了很多的问题。对于大跨径桥梁类型的选择，悬索桥无疑是最优的选择之一，悬索桥通过缆索优化受力情况，使其具有超越梁式桥的跨越能力。

近些年，我国在基础建设飞速发展。在悬索桥的建造数量和跨径上不断刷新纪录，我国又是一个常年受到台风灾害的国家，所以悬索桥在台风作用下的振动问题也越来越明显，若不对这种问题进行分析，会引发巨大的灾难。目前众多海内外学者对振动问题进行了深入研究。强风荷载从本质上看，是一种随机的荷载，所引发的振动也是一种随机的振动。由此，研究这种大跨径悬索桥在台风作用下的动力响应具有重大意义。

1.2悬索桥和斜拉桥的发展简述

悬索桥的发展在最近的一个多世纪发展迅速，由于其超静定次数较少，在计算机还没有开发出来情况下，大跨径的缆索承重型的桥还是以悬索桥为主。所以以现代悬索桥跨径的发展历程还是以近100年发展迅速。

在20世纪30年代，当时是美国修建大跨度悬索桥的最热时期，在这个时期修建跨度第一次突破千米的乔治华盛顿桥，这座桥的主跨当时便是达到了1067m。在此之后的1937年又建造了闻名世界的金门大桥，其主跨为1280米。到了后面发生了建立的塔科马老桥没有考虑风致振动，导致加劲梁断面抗风稳定性差，建成不久便桥毁。在这之后随着对抗风问题研究，1964年又在纽约海湾建成主跨超过金门大桥18m的维拉扎诺海峡桥，这座桥霸占悬索桥跨径纪录17年之久。