海峡大风环境下大跨度斜拉桥施工控制研究.docx
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海峡大风环境下大跨度斜拉桥施工控制研究
一、基本情况
项目
名称
海峡大风环境下大跨度斜拉桥施工控制研究
所属
学科
学科一级门：
工学
学科二级类：
土木类
申请
金额
10000元
起止年月
2019年4月至2020年3月
负责人
姓名
性别
学号
联系
电话
指导
教师
联系
电话
负责人曾经参与科研的情况
曾参与2018年大创项目，并且为该项目的项目负责人，且项目进展顺利有一定的研究成果。
指导教师承担科研课题情况
指导教师对本项目的支持情况
指导该项目学员确定项目大体方向并指出需学习的内容；
指出该项目学员在该项目实施过程中需要改进的地方；
与学员及时沟通该项目的进展与实施；
提供项目学员实验场所并指导学员实验原理及相关操作等。
项
目
组
主
要
成
员
姓名
学号
专业班级
所在学院
项目中的分工
土木工程
分析数据得到平均风及脉动风特性
土木工程
比对规范并得出海洋风场环境特征
土木工程
建立静风模型并研究相应的施工控制
土木工程
实测/计算抖振响应并研究抑振施工措施
二、立项依据（可加页）
（一）项目简介
大跨度斜拉桥常采用悬臂施工方法，且各施工期的位移和内力具有继承性。
另外，在施工期，结构刚度低，抗风性能较差。
在成桥时不太严重的抖振在施工期间存在恶化的可能性，成为施工的控制动态风荷载。
本项目首先根据桥址处实测风场数据对脉动风特性分析，然后考虑施工期风荷载对斜拉桥各施工阶段各施工控制要素对影响，指导现场施工监控，最后评估抖振对桥梁结构的安全性，并研究抑制抖振的控制措施，保障施工安全。
（二）研究目的
随着现代桥梁向大跨柔性发展，桥梁结构的自振频率和阻尼降低，对风的敏感性增加，风荷载成为大跨度桥梁设计和施工的主要控制荷载。
为了研究桥梁结构在风荷载作用下的气动性能，确保桥梁施工和运营安全，就必须准确获取桥址所在处的具体风场特性，为桥梁抗风设计与检验提供可靠依据。
而且，该桥桥址所在的平潭海峡，为世界三大风口海域之一，据统计，每年6级以上大风超过300天，7级以上大风超过200天，曾被称为‘建桥禁区’。
其建设条件远比已建成的东海大桥、杭州湾跨海大桥及港珠澳大桥恶劣。
因此，对平潭海峡的具体风场特性的研究就显得更为重要。
斜拉桥是高次的超静定结构，施工方法和安装顺序不同，则成桥后的结构状态也不相同。
施工期的风荷载会引起结构位移、内力和索力变化，而斜拉桥各施工阶段的位移和内力具有继承性，后一施工阶段计算分析的基础是前一施工阶段的主梁线形和内力。
所以，需考虑施工期风荷载对斜拉桥各施工阶段各施工控制要素（主梁线形、内力、索力和桥塔偏位）的影响，才能保证结构的变形和内力始终处于合理的控制范围内。
另外，大跨度斜拉桥常采用悬臂施工方法，施工状态下斜拉桥（如裸塔、最大双悬臂和单悬臂状态）的结构刚度较低，抗风性能较差，所以一些在成桥时不严重的风效应在施工期间存在恶化的可能性，例如，由湍流引起的桥梁抖振。
过大的抖振响应会影响桥梁施工期间施工人员和施工器具的安全,甚至会危及整个结构的安全。
因此，有必要根据理论计算或实测的抖振响应，评定桥梁结构的安全性，并研究抑制抖振的控制措施，保障施工安全。
（三）研究内容
平潭海峡公铁两用大桥是新建福州至平潭铁路、长乐至平潭高速公路的关键性控制工程，是合福铁路的延伸、京福通道的重要组成部分，是连接长乐副中心城市和平潭综合实验区的快速通道，是我国第一座公铁两用跨海峡钢桁梁斜拉桥。
本研究项目以平潭公铁两用大桥为工程背景，对海峡大风环境下大跨度斜拉桥施工控制进行研究。
（1）桥址所处的海洋强风场环境的分析与研究
通过在施工现场安装风速仪等设备，开展风场的连续监测，得到实时监测数据后。
通过对风要素样本进行选择与分析，得到平均风的风速风向和脉动风特性，并对各类风特性随平均风速变化的分布特点和相互之间的相关性进行分析。
其中，脉动风特性包括脉动风速、湍流强度、湍流积分尺度及功率谱密度函数等。
对分析样本中的风速数据进行风谱拟合，并与规范中给出的风谱进行比较，得出海洋强风场环境特征。
（2）平均风对铁路钢桁梁斜拉桥的施工影响研究
建立桥梁施工阶段静风分析模型，研究平均风引起的结构位移、内力、斜拉索索力变化，通过模型预测、实验矫正和逐步逼近，给出平均风影响下的线形和索力调整值，指导现场施工监控，并制定安全控制措施，确保在施工过程中桥梁结构变形和内力始终在控制范围内，确保成桥线形和结构内力满足设计要求。
（3）海峡大风环境下钢桁梁悬臂端抖振响应实测及振动控制
本项目以平潭海峡公铁两用大桥为工程背景，对海峡大风情况下的抖振响应进行理论计算和实测；建立考虑施工人员舒适性的各级安全指标；根据现场实际情况，采取某种或者组合抑振措施（例如临时托架、临时墩、临时抗风索或TMD等），并优化控制方案，确保大桥的施工安全。
（四）国、内外研究现状和发展动态
目前国内外针对各类结构已经开展了大量风特性实测研究，一些风工程研究发达的国家已经建立了本地区的风特性数据库,如加拿大和英国的近海风观测数据库[]，美国Sparks[]、日本Ohukuma[]等,在时间或者空间上大规模的观测工作可以得到比较完整的分析结果。
我国实测风特性研究起步较晚,但是近年来已经取得一些风观测的研究经验,例如曹文俊等[]根据郊区实测到的风特性数据,计算了风速谱、温度谱及动量和热量通量的协谱;李秋胜等[]根据台风作用下风场与风致结构响应的同步监测,获得台风和结构动力特性相关结果;葛耀君等[]根据上海地区多年台风记录,进行Monte-Carlo随机模拟研究;陈政清等[]对山区峡谷地带大跨度桥梁进行了风场特性试验研究,重点分析了山区峡谷风对桥梁结构抗风设计的影响;王浩等[]基于润扬长江大桥韦帕台风现场实测数据,进行了桥址区的强风特性研究；Hu等[]在南海奋进号FPSO上进行了现场监测工作，获得了长期的风参数信息。
然而上述工作大多只是针对海岸和浅海位置的风特性研究。
至今为止，国内外对大型土木工程结构进行的长期风特性观测尚少。
近年来我国为了解决跨海交通问题、促进经济发展，大型跨海桥梁得到广泛的应用及发展，针对海洋强风场的环境特性研究方兴未艾。
桥梁抖振是由大气来流的脉动成分引起的不规则振动。
抖振会使桥梁结构的局部构件和连接部位处于交变应力作用下，产生疲劳损伤而引起构件失稳或强度破坏。
因此，对大跨度桥梁进行风振疲劳寿命估算具有重要的工程意义。
目前国内外有许多关于大跨度桥梁的抖振控制措施研究，郭建民等[]对大跨径斜拉桥采用双悬臂施工法时风场引起的抖振响应进行了分析及控制;李敏娜[]对多塔斜拉桥在风场下引起的抖振及风载内力进行了分析；姚伟[]对大跨度公铁两用斜拉桥在风场下引起的抖振进行了分析等。
通过近年来对大跨度桥梁中抖振产生的影响进行分析，现在已经出现了临时风缆、临时墩及TMD等多种对大跨度桥梁抖振控制的措施。
但在海洋强风场等极端环境的影响下，这些传统减振措施的效果还有待研究。
（五）创新点与项目特色
1.对海峡大风环境的分析与研究
平潭海峡公铁两用大桥是我国第一座公铁两用跨海峡大桥，而且平潭海峡是世界三大风口海峡之一，建设条件十分恶劣。
因此，对这种海峡大风环境的分析与研究在之前是没有遇到的。
而基于本项目得到的实测数据的海峡大风场特性分析与研究，不但可以为新海上大跨度斜拉桥结构抗风设计提供依据，也可以作为对在役海上结构抗风行为预测的参考。
2.大跨度斜拉桥在海峡大风环境下的振动控制
斜拉桥作为一种拉索体系,比梁式桥的跨越能力更大,是大跨度桥梁的最主要桥型。
但是，在采用悬臂施工期间，由于结构刚度低，抗风性能也较差，且各施工期间的位移、内力等影响具有继承性，在成桥时不是非常严重的抖振在施工期间存在恶化的可能，从而影响施工时的安全性与舒适度。
在陆地上时，由于脉动风较弱，抖振响应不强，可能不会对施工安全性与舒适度产生严重影响，但是对于跨海峡的大跨度斜拉桥而言，特别是对平潭海峡公铁两用大桥这种处在三大风口海峡中的跨海峡大桥来说，脉动风产生的抖振响应将会比陆地上显著很多。
对在这种海峡大风环境下产生的抖振响应进行预测研究并进行振动控制，是以前的桥梁设计研究中较少的。
用有限元分析的方法模拟出最佳的抖振控制方案，并使之满足实际的控制需求，不仅是保证本项目桥梁的施工安全与施工舒适度，还能为今后类似强风场环境下施工的抖振控制提供一个参考依据。
（六）技术路线、拟解决的问题及预期成果
1.技术路线
第一阶段，获取平潭桥桥塔、塔顶和悬臂梁端风场的连续观测数据，基于观测数据分析桥址处的平均风和脉动风特性，以得到海洋强风场环境特征；
第二阶段，借助有限元分析软件建立钢桁梁斜拉桥施工阶段静风作用下的结构响应模型，分析平均风引起的结构位移、变形和应力变化、斜拉索索力变化，给出平均风影响下的线形和索力调整值，并结合计算结果指导现场施工监控；
第三阶段，结合海峡大风环境下脉动风特征数据，运用有限元分析软件计算钢桁梁斜拉桥的抖振振幅、频率等振动特征，对不同减振措施进行施工舒适度指标和安全性的分析，选取最为有效的减振措施；
第四阶段，就研究结果提出针对平潭桥施工控制及施工安全的技术对策，并对其进行一般化推广，探索同类桥梁的施工控制对策，进而完善海洋强风环境下铁路钢桁梁斜拉桥考虑风振影响的施工控制技术体系。
2.拟解决的问题
在建立可靠度较高的模型之前，必须先得到桥址所在地平潭海峡的风场监测数据，而由于资源配置、资金分配等实际问题，得到的数据并不一定是准确的，在兼顾资金与准确性的条件下合理配置仪器得到尽可能可靠的数据；
基于当地风场的特征数据，需要建立合理的静风分析模型，采取尽可能准确的方法计算平均风作用时钢桁梁和拉索的动力响应特性；
需要完成桥梁施工阶段静风响应的预测与验证，配合施工监控工作提供各阶段监控指令的调整方案；
需要结合有限元分析得到的悬臂端抖振响应结果，以研究临时风缆、临时墩、调质阻尼器等抗抖振结构的布置方法和优化方案，并在此基础上构思新的抗风设计，达到有效减振的目的；
依据桥梁结构响应状况，需要构思一套标准以评判强风环境下悬臂施工的安全性（包含抖振振幅、施工舒适度等指标），为实际施工建立完善的施工控制体系。
3.预期成果
分析得到桥址处的平均风、脉动风特性（湍流强度、湍流积分尺度和功率谱密度函数），进而建立出基于有限元分析软件的能够较准确地描述风荷载作用下悬臂法施工中的桥梁结构响应模型，能够得到最大双悬臂状态下钢桁梁悬臂端的抖振响应情况；
依据不同风况下的钢桁梁和拉索的响应情况，对临时墩、临时风缆等抑制风振的传统方法提出改进意见，并创新出在悬臂法施工时尤其是最大双悬臂状态下保护桥梁结构及保障施工安全的有效抑振措施；
建立评判海峡大风环境下悬臂法施工安全的标准，兼顾施工成本和施工安全两大因素，通过概率分析确定不同风况下进行悬臂施工的安全性，对何种情况下应停止施工提出指导性建议。
（七）项目研究进度安排
该项目预计将在一年的时间内完成。
2019年3月~2019年5月：
（1）学习有关风特性及风特性分析的相关原理；
（2）依据获得的平潭跨海峡公铁两用大桥处的海洋强风相关数据对其进行风特性分析和脉动风功率谱的拟合研究工作；
2019年6月~2019年9月：
（1）依据已经测得并且进行了分析的静风风特性建立静风模型；
（2）依据静风分析模型，研究平均风与其造成的结构内力、位移等变化的关系；
（3）通过模型预测、实验矫正和逐步逼近，给出平均风影响下的线形和索力整
值；
2019年10月~2019年12月：
（1）依据采集的数据及其分析建立脉动风模型，并在此基础上使用三种不同的方法对抖振进行抑振处理；
（2）利用有限元原理对对三种方法进行抑振分析；
（3）更与以上研究分析，进行总结整合，得出总结论；
2020年1月~2020年3月：
（1）对研究成果进行整理汇总；
（2）发表相关论文、提交研究报告及申请专利。
（八）已有基础
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
项目成员有参与类似项目的研究经验；
此申请课题与指导老师主研项目“海洋强风场环境下铁路钢桁梁斜拉桥施工控制研究”相关，已具有一定的技术积累基础；
在项目开始前，本项目所有人员均已经阅读了与项目相关的大量文献，对该项目的内容任务等有了详细的了解；
本项目的所有队员现已经开始学习与项目相关的软件，例如：
MATLAB、ANSYS、Midas等软件。
2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
对该项目有关的理论知识储备尚不完整，缺乏理论知识储备；
对建模软件及受力分析软件使用不够熟练；
对研究所在处的风场情况不够了解，但已经取得相关风数据。
解决方法：
从图书馆借阅或在网络上查阅学习软件的操作，并进行一些操作练习来较为熟练的掌握软件的使用。
借阅相关书籍并查阅有关论文，以此对所研究的内容在理论基础上有一个更好的了解，方便之后的研究与分析；按原定计划对项目进行实施。
参考文献
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三、经费预算
开支科目
预算经费
（元）
主要用途
阶段下达经费计划（元）
前半阶段
后半阶段
预算经费总额
10000
6000
4000
1.业务费
5500
3000
2500
（1）计算、分析、测试费
1000
主要用于数学模型建立
500
500
（2）能源动力费
0
0
0
（3）会议、差旅费
2000
前往桥址处进行考察
2000
0
（4）文献检索费
500
用于文献检索及打印
500
0
（5）论文出版费
2000
发表一至两篇论文
0
2000
2.仪器设备购置费
2000
购置桥梁模型材料
2000
0
3.实验装置试制费
2000
安装模型并进行风洞试验
800
1200
4.材料费
500
相关文件复印打印及书籍等购买
200
300
学校批准经费
10000
6000
4000
四、指导教师意见
同意立项，项目技术路线安排合理，小组成员优秀并有过科研训练，推荐立项。
导师（签章）：
年月日
五、院系大学生创新创业训练计划专家组意见
同意推荐。
专家组组长（签章）：
年月日
六、学校大学生创新创业训练计划专家组意见
同意推荐。
负责人（签章）：
年月日
七、大学生创新创业训练计划领导小组审批意见
负责人（签章）：
年月日
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