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系統識別號 U0002-0703201116161400
中文論文名稱 自錨式吊拉組合橋風致反應特性之探討
英文論文名稱 Investigation on the Wind-Induced Response Characteristics of Self-Anchored Cable-Stayed Suspension Bridge
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 99
學期 1
出版年 100
研究生中文姓名 陳吟亘
研究生英文姓名 Yin -Shiuan Chen
學號 697380474
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-01-07
論文頁數 117頁
口試委員 指導教授-高金盛
共同指導教授-苟昌煥
委員-段永定
委員-曾清銓
中文關鍵字 吊拉組合橋  自錨式  靜風荷載  隨機分析  反應面法 
英文關鍵字 Cable-stayed Suspension Bridge  Self-Anchored  Static Wind Load  Stochastic Analysis  Response Surface Approach Method 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 自錨式吊拉組合橋造型優美,由主梁、橋塔、主纜、斜拉索及垂直吊索組合而成,兼具懸索橋與斜張橋的優點,為一種新型結構體系的橋梁,相較於懸索橋,具有較高的抗風穩定性;相較於斜張橋,不僅具有較低的橋塔高度,且能避免兩側過長過斜的斜拉索無法有效發揮吊拉效果的問題,在國內具有相當大的應用空間。
本文針對自錨式吊拉組合橋的風致反應特性進行分析與探討比較,文中利用套裝軟體ANSYS分析探討自錨式吊拉組合橋在設計靜風荷載及不同風速之靜風荷載作用下的靜態風致反應,亦分析探討幾何形狀變化及子結構勁度變化對自錨式吊拉組合橋風致反應之影響。研究結果顯示,在幾何形狀變化中,以輔助墩變化對自錨式吊拉組合橋風致反應之影響最大。另外,在子結構勁度變化中,主纜子結構勁度變化對自錨式吊拉組合橋風致反應之影響最大。
本文亦以反應面法分析探討材料的不確定性對自錨式吊拉組合橋風致反應之影響。研究結果顯示,反應面法是一種簡便有效的隨機分析方法。
英文摘要 A self-anchored cable-stayed suspension bridge, including main girder, tower, main cable, stayed cables and vertical hangers, is characterized by its elegant structural shape. It possesses combines merits of both a self-anchored suspension bridge and a cable-stayed bridge, which forms a totally renewed structure mechanism. This research intends to analyze and investigate the static-wind-induced response of a self-anchored combined cable-stayed suspension bridge. The main contents and outcomes of this research are as follows.
This research established the numerical models and performed the detailed analysis to investigate the characteristics of wind-induced response of self-anchored cable-stayed suspension bridge. The ANSYS program is used to analyze and investigate the wind-induced response of a self-anchored cable-stayed suspension bridge under the action of design static wind and static wind with different velocity. The impact of the variations of stiffness of sub-structures and geometric shape on the wind-induced response of a self-anchored cable-stayed suspension bridge are also analyzed and investigated in this research. This results have shown that, when the stiffness was varied, the main cable has the greatest impact on the wind-induced response of self-anchored cable-stayed suspension bridge. However, when the geometric shape was varied the auxiliary piers has the greatest impact on the wind-induced response of self-anchored cable-stayed suspension bridge.
Finally, this research used the response surface approach method to perform the influence of the uncertainties of material to the wind-induced response of self-anchored cable-stayed suspension bridge. The influence of the uncertainties of material to the structures deflection and sub-structures moment of self-anchored cable-stayed suspension bridge under static-wind load were also investigated as well. The results have shown that the response surface approach method is an effective method for the stochastic analysis of the suspension bridge.
論文目次 中文摘要
英文摘要
本文目...............................................................................................Ⅰ
圖目錄..........................................................................................................................Ⅳ表目錄..........................................................................................................................Ⅶ
第一章 緒論..................................................................................................................1
1-1 前言........................................................................................................1
1-2 研究動機與目的....................................................................................1
1-3 研究內容................................................................................................3
第二章 文獻回顧及吊拉組合橋基本架構..................................................................5
2-1 前言........................................................................................................5
2-2 文獻回顧................................................................................................5
2-2-1 斜張橋靜態風致反應............................................................5
2-2-2 懸索橋靜態風致反應............................................................7
2-2-3 吊拉組合橋靜態風致反應....................................................9
2-2-4 非線性隨機分析..................................................................10
2-3 自錨式吊拉組合橋基本架構..............................................................12
第三章 自錨式吊拉組合橋之設計靜風反應分析....................................................15
3-1 前言......................................................................................................15
3-2 風之基本觀念......................................................................................15
3-2-1 大氣邊界層流場特性..........................................................15
3-2-2 風力與攻角..........................................................................15
3-2-3 風效應..................................................................................16
3-3 自錨式吊拉組合橋分析理論..............................................................16
3-3-1 大位移分區廣義勢能泛函數的推導..................................16
3-3-2 自錨式吊拉組合橋微分方程式的推導..............................21
3-4 橋梁結構承受之風荷載......................................................................22
3-5 設計靜風荷載反應分析資料..............................................................25
3-5-1 基本分析資料......................................................................25
3-5-2 有限元素分析模式..............................................................28
3-5-3 基本設計風速………..........................................................29
3-5-4 橋梁設計風速......................................................................30
3-6 分析結果與探討比較..........................................................................31
3-6-1 幾何形狀變化對各子結構反應之影響…………………..31
3-6-1-1 主纜矢跨比變化之影響………………………..31
3-6-1-2 交叉吊索變化之影響…………………………..33
3-6-1-3 拱度變化之影響………………………………..34
3-6-1-4 輔助墩變化之影響……………………………..36
3-6-2 子結構勁度變化對各子結構反應之影響………………..37
3-6-2-1 斜拉段混凝土主梁勁度變化之影響..................37
3-6-2-2 懸吊段鋼主梁勁度變化之影響..........................38
3-6-2-3 橋塔勁度變化之影響..........................................39
3-6-2-4 主纜勁度變化之影響..........................................39
3-6-2-5 斜拉索勁度變化之影響......................................41
3-6-2-6 垂直吊索勁度變化之影響..................................41
3-7 小結………………………………………………………………..….42
第四章 自錨式吊拉組合橋之靜風反應分析............................................................45
4-1 前言.......................................................................................................45
4-2 分析模式...............................................................................................46
4-2-1 基本分析資料........................................................................46
4-2-2 有限元素分析模式................................................................48
4-2-3 靜風失穩臨界風速分析模式................................................48
4-2-3-1 理論法..................................................................48
4-2-3-2 有限元素法..........................................................49
4-3 分析結果與探討比較...........................................................................51
4-3-1 不同風速作用下結構之反應之比較....................................51
4-3-2 幾何形狀變化對子各結構反應之影響................................57
4-3-2-1 主纜矢跨比變化之影響......................................57
4-3-2-2 交叉吊索變化之影響..........................................61
4-3-2-3 拱度變化之影響..................................................64
4-3-2-4 輔助墩變化之影響..............................................68
4-3-3 子結構勁度變化對各子結構反應之影響............................71
4-3-3-1 斜拉段混凝土主梁勁度變化之影響..................71
4-3-3-2 懸吊段鋼主梁勁度變化之影響..........................72
4-3-3-3 橋塔勁度變化之影響..........................................73
4-3-3-4 主纜勁度變化之影響..........................................73
4-3-3-5 斜拉索勁度變化之影響......................................75
4-3-3-6 垂直吊索勁度變化之影響..................................75
4-3-4 子結構勁度變化對分析結構失穩臨界風速之影響............77
4-3-4-1 理論法..................................................................77
4-3-4-2 有限元素法..........................................................77
4-4 小結.......................................................................................................78
第五章 自錨式吊拉組合橋之非線性隨機靜風反應分析........................................81
5-1 前言.......................................................................................................81
5-2 分析理論...............................................................................................81
5-2-1 隨機分析法............................................................................81
5-2-2 反應面法................................................................................82
5-3 分析模式...............................................................................................84
5-3-1 基本分析資料........................................................................84
5-3-2 分析模式................................................................................84
5-3-3 分析流程................................................................................86
5-4 分析結果與探討比較...........................................................................87
5-5 小結.....................................................................................................109
第六章 結論與建議..................................................................................................111
6-1 結論.....................................................................................................111
6-2 建議.....................................................................................................112
參考文獻……………………………………………………………...…….…........113
圖目錄
圖3-1 自錨式吊拉組合橋示意圖...........................................................................17
圖3-2 主纜單元變形...............................................................................................18
圖3-3 風力轉換示意圖............................................................................................24
圖3-4 三分力係數圖................................................................................................25
圖3-5 纜索風荷載示意圖........................................................................................25
圖3-6 自錨式吊拉組合橋側視圖(單位:m)...........................................................26
圖3-7(a) 鋼筋混凝土主梁斷面圖(單位:m).............................................................26
圖3-7(b) 鋼主梁斷面圖(單位:m).............................................................................27
圖3-7(c) 橋塔形狀(單位:m) ....................................................................................27
圖3-8 自錨式吊拉組合橋有限元素分析模式…………………………………....28
圖3-9 主纜矢跨比定義之示意圖……....………………………………………....32
圖4-1 三分力係數圖................................................................................................48
圖4-2 第41階主梁對稱扭轉f=0.83937..................................................................48
圖4-3 自錨式吊拉組合橋有限元素分析模式........................................................50
圖4-4 不同風速之主梁垂直位移圖........................................................................53
圖4-5 不同風速之主梁橫向位移圖........................................................................53
圖4-6 不同風速之主梁扭轉角分圖........................................................................54
圖4-7 不同風速之橋塔縱向位移圖........................................................................54
圖4-8 不同風速之橋塔橫向位移圖........................................................................55
圖4-9 不同風速之主梁彎矩圖................................................................................55
圖4-10 不同風速之橋塔彎矩圖................................................................................56
圖4-11 主纜矢跨比變化對主梁跨中點位移之影響比較........................................58
圖4-12 主纜矢跨比變化對主梁扭轉角之影響比較................................................58
圖4-13 主纜矢跨比變化對橋塔縱向位移之影響比較............................................59
圖4-14 主纜矢跨比變化對主梁跨中點彎矩之影響比較........................................59
圖4-15 交叉吊索變化對主梁垂直位移之影響比較................................................61
圖4-16 交叉吊索變化對主梁扭轉角之影響比較....................................................62
圖4-17 交叉吊索變化對橋塔縱向位移之影響比較................................................62
圖4-18 交叉吊索變化對主梁彎矩之影響比較........................................................63
圖4-19 拱度變化對主梁垂直位移之影響比較........................................................65
圖4-20 拱度變化對主梁扭轉角之影響比較............................................................65
圖4-21 拱度變化對橋塔縱向位移之影響比較........................................................66
圖4-22 拱度變化變化對主梁彎矩之影響比較........................................................66
圖4-23 輔助墩變化對主梁垂直位移之影響比較....................................................68
圖4-24 輔助墩變化對主梁扭轉角之影響比較........................................................69
圖4-25 輔助墩變化對橋塔縱向位移之影響比較....................................................70
圖4-26 輔助墩變化對主梁彎矩之影響比較............................................................66
圖4-27 主梁扭轉角隨風速變化之過程....................................................................78
圖5-1 隨機靜風分析流程圖....................................................................................86
圖5-2 主梁中點垂直位移隨混凝土段主梁彈性模數的變化................................91
圖5-3 主梁中點垂直位移隨鋼段主梁彈性模數的變化........................................91
圖5-4 主梁中點垂直位移隨混凝土橋塔彈性模數的變化....................................92
圖5-5 主梁中點垂直位移隨主纜彈性模數的變化................................................92
圖5-6 主梁中點垂直位移隨斜拉索彈性模數的變化............................................93
圖5-7 主梁中點垂直位移隨垂直吊索彈性模數的變化........................................93
圖5-8 主梁中點側向位移隨混凝土段主梁彈性模數的變化................................94
圖5-9 主梁中點側向位移隨鋼段主梁彈性模數的變化........................................94
圖5-10 主梁中點側向位移隨混凝土橋塔彈性模數的變化....................................95
圖5-11 主梁中點側向位移隨主纜彈性模數的變化................................................95
圖5-12 主梁中點側向位移隨斜拉索彈性模數的變化............................................96
圖5-13 主梁中點側向位移隨垂直吊索彈性模數的變化........................................96
圖5-14 主梁扭轉角隨混凝土段主梁彈性模數的變化............................................97
圖5-15 主梁扭轉角隨鋼段主梁彈性模數的變化....................................................97
圖5-16 主梁扭轉角隨混凝土橋塔彈性模數的變化................................................98
圖5-17 主梁扭轉角隨主纜彈性模數的變化............................................................98
圖5-18 主梁扭轉角隨斜拉索彈性模數的變化........................................................99
圖5-19 主梁扭轉角隨垂直吊索彈性模數的變化....................................................99
圖5-20 橋塔頂部側向位移隨混凝土段主梁彈性模數的變化..............................100
圖5-21 橋塔頂部側向位移隨鋼段主梁彈性模數的變化......................................100
圖5-22 橋塔頂部側向位移隨混凝土橋塔彈性模數的變化..................................101
圖5-23 橋塔頂部側向位移隨主纜彈性模數的變化..............................................101
圖5-24 橋塔頂部側向位移隨斜拉索彈性模數的變化..........................................102
圖5-25 橋塔頂部側向位移隨垂直吊索彈性模數的變化......................................102
圖5-26 主梁中點彎矩隨混凝土段主梁彈性模數的變化......................................103
圖5-27 主梁中點彎矩隨鋼段主梁彈性模數的變化..............................................103
圖5-28 主梁中點彎矩隨混凝土橋塔彈性模數的變化..........................................104
圖5-29 主梁中點彎矩隨主纜彈性模數的變化......................................................104
圖5-30 主梁中點彎矩隨斜拉索彈性模數的變化..................................................105
圖5-31 主梁中點彎矩隨垂直吊索彈性模數的變化..............................................105
圖5-32 橋塔底部彎矩隨混凝土段主梁彈性模數的變化......................................106
圖5-33 橋塔底部彎矩隨鋼段主梁彈性模數的變化..............................................106
圖5-34 橋塔底部彎矩隨混凝土橋塔彈性模數的變化..........................................107
圖5-35 橋塔底部彎矩隨主纜彈性模數的變化......................................................107
圖5-36 橋塔底部彎矩隨斜拉索彈性模數的變化..................................................108
圖5-37 橋塔底部彎矩隨垂直吊索彈性模數的變化..............................................108

表目錄
表3-1 吊拉組合橋之斷面參數………………………………………………........27
表3-2 吊拉組合橋材料彈性模數(單位:kN/m2)…………………………..….…28
表3-3 主纜矢跨比變化對結構位移及應力反應影響比較…………………...….32
表3-4 交叉吊索變化對結構位移及應力反應影響比較……………………..…..34
表3-5 有無拱度變化對結構位移及應力反應影響比較……………………..…..35
表3-6 輔助墩位置變化對結構位移及應力反應影響比較…………………..…..36
表3-7 主梁子結構勁度變化對結構位移及應力反應影響比較………….……...38
表3-8 橋塔及主纜子結構勁度變化對結構位移及應力反應影響比較.……..….40
表3-9 斜拉索及垂直吊索子結構勁度變化對結構位移及應力反應影響比較....42
表4-1 吊拉組合橋改變各結構之材料參數……………………...........……….....47
表4-2 不同風速之結構位移及內力比較………….......…….........……………....56
表4-3 主纜矢跨比變化對結構位移及內力反應之影響比較................................60
表4-4 交叉吊索變化對結構位移及內力反應之影響比較....................................63
表4-5 有無拱度變化對結構位移及內力反應之影響比較....................................67
表4-6 輔助墩位置變化對主梁位移及內力反應之影響比較................................70
表4-7 主梁子結構勁度變化對結構位移及內力反應之影響比較........................72
表4-8 橋塔及主纜子結構勁度變化對結構位移及內力反應之影響比較............74
表4-9 斜拉索及垂直吊索勁度變化對結構位移及應力反應之影響比較............76
表4-10 自錨式吊拉組合橋子結構勁度變化對靜風失穩臨界風速之影響比較....77
表5-1 隨機變量參數................................................................................................85
表5-2 結構反應為主梁中點垂直位移時反應面之待定常係數值........................89
表5-3 結構反應為主梁中點扭轉角時反應面之待定常係數值............................89
表5-4 結構反應為主梁中點側向位移時反應面之待定常係數值........................89
表5-5 結構反應為橋塔頂部側向位移時反應面之待定常係數值........................90
表5-6 結構反應為主梁中點彎矩時反應面之待定常係數值............................... 90
表5-7 結構反應為橋塔底部彎矩時反應面之待定常係數值................................90



參考文獻 [1]Hirai A, Okauchi I, Ito M, etal, (1967) “Studies on the critical wind velocity for suspension bridges”Proc. Int. Res. Seminar on Wind Effects on Buildings and Structures, Ontario: University of Toronto Press, Canada, pp.81-103.
[2]程進, (2000) “纜索承重橋梁線性空氣靜力穩定性研究,”上海同濟大學博士論文.
[3]程進、江見鯨、肖汝誠等, (2002) “大跨度橋梁空氣靜力失穩機理研究, ”中國土木工程學報, 第三十五卷, 第一期, 第35-39頁.
[4]Booyapinyo. V, Miyata. T and Yamada. H, (1997). “Analysis of cable-supported bridges under wind load, part I: ultimate strength. ”Proceedings of the Fourth Asia–Pacific Symposium on Wind Engineering, Australia.
[5]Booyapinyo. V, Miyata. T and Yamada. H, (1997) “Analysis of cable-supported bridges under wind load, part II: Combined flutter and buffeting response in time domain.” Proceedings of the Fourth Asia–Pacific Symposium on Wind Engineering, Australia.
[6]Booyapinyo. V, Yamada. H and Miyata. T, (1994)“Wind-induced nonlinear lateral-torsion buckling of cable-stayed bridges,”Journal of Structural Engineering, Vol.120, No.2, pp.486-506.
[7]Mayata. T, Yamada. H and Kazama. K (1995)“On an application of the direct flutter FEM analysis for long-span bridges, ”Proc.9th Int. Conf. on Wind Engineering. New Delhi, India, pp.1033-1041.
[8]Xie. X, Yamaguchi. H, (1997)“Static behaviors of self-anchored and partially earth-anchored long span cable stayed bridges,”Structural Engineering and Mechanics, Vol.5, No.6, pp.767-774.
[9]方明山, (1997)“超大跨徑纜索承重橋梁非線性空氣靜力穩定理論研究,”上海同濟大學博士論文.
[10]鄒小江,(2003) “斜張橋風致反應時域分析及靜風穩定性研究”,廣州華南理工大學.
[11]張志田,(2004) “大跨度橋梁非線性抖振及其對抗風穩定性影響的研究”,上海同濟大學.
[12]蔡政宏,(2004) “輔助墩的配置對大跨徑斜張橋極限承載力的影響”,中華大學土木工程研究所碩士論文.
[13]張祐銘,(2005) “中長跨度碳纖維索斜張橋之力學研究”,中華大學土木工程研究所碩士論文.
[14]苟昌煥、高金盛、馬世瑋、蔡政霖、郭宇軒,(2005) “於靜風加載模式下中跨徑斜張橋斷索時抗風能力之研究”,九十四年電子計算機於土木水利應用研討會.
[15]胡曉倫,(2006) “大跨度斜拉橋顫抖振響應及靜風穩定性分析”,上海同濟大學博士論文.
[16]操金鑫,(2009) “斜拉橋的極限跨徑及其結構抗風性能的理論分析”,上海同濟大學博士論文.
[17]唐清華,(2005) “大跨度懸索橋空氣靜力穩定性研究”,西南交通大學碩士論文
[18]羅建輝、陳政清、劉光棟,(2007) “大跨度纜索承重橋梁非線性靜風扭轉失穩機理的研究”,第16屆全國結構工程學術會議論文集.
[19]王曉,(2008) “自錨式懸索橋空間主纜系統計算與靜風穩定性分析”,,湖南大學碩士論文.
[20]李天飛,(2009) “自錨式懸索橋動力及靜風反應研究”,大連理工大學橋梁與隧道工程研究所博士論文.
[21]於偉,(2010) “大跨度懸索橋靜風穩定性非線性分析”,西南交通大學碩士論文.
[22]張丹,(2007) “纜索支承橋梁抗風穩定性的分析與比較”,浙江工業大學學報,第36卷,第1期,pp.99-101.
[23]吳宏應,(2007) “自錨式斜拉—懸索協作體系橋靜力性能分析”,大連理工大學碩士論文.
[24]張新軍、張丹,(2007) “吊拉組合橋體系橋的抗風穩定性分析”,公路學報,第十期,pp.5-8.
[25]張新軍,(2008) “設計參數對吊拉組合體系橋抗風穩定性能的影響分析”,橋梁建設,第2期,pp.23-26.
[26]沈慧申、王宇新,(1996) “斜拉橋主梁靜動力可靠性分析”,中國公路學報,第9卷,第1期
[27]陳鐵冰,(2000) “斜拉橋幾何、材料非線性靜力及其可靠度評估”,上海同濟大學.
[28]石磊、劉春城,張哲,杜蓬娟,(2004) “大跨懸索橋非線性隨機靜力分析”,大連理工大學學報,Vol.44, No.3.
[29]沙麗新、石雪飛,(2004) “斜拉橋主梁靜力可靠性反問題分析”,哈爾濱工業大學學報,第36卷,第2期.
[30]程進、肖汝誠,(2004) “斜拉橋結構靜力可靠度分析”,同濟大學學報(自然科學版),第32卷,第12期.
[31]程進、江見鯨、肖汝誠,(2004) “懸索橋空氣靜力穩定性的隨機分析”,中國土木工程學報,第37卷,第4期.
[32]蘇成、范學明,(2005) “斜拉橋施工控制參數靈敏度與可靠度分析”,土木工程學報,第38卷,第10期.
[33]郭冠廷,(2006) “斜張橋在活載作用下之影響線分析與探討” 中華大學土木與工程資訊研究所碩士論文
[34]葉毅、張哲、夏國平、苗峰,(2009) “自錨式斜拉-懸索橋作體系橋非線性隨機靜力分析”,大連理工大學學報,第33卷,第6期.
[35]葉毅,(2010) “自錨式斜拉-懸索橋作體系橋參數敏感性與若干問題研究” 大連理工大學博士論文.
[36]蔡子文,(1994) “斜張橋受風力載重之動力分析",淡江大學土木工程研究所碩士論文.
[37]陳仁福,(1994)“ 大跨懸索橋理論”,西南交通大學出版社
[38]吳恒立,(1991) “懸索與吊橋及薄壁杆件理論”,重慶大學出版社.
[39]Cook R D., “Concepts and applications of finite element analysis”, John Wiley,2002.
[40]錢偉長,(1980) “變分法及有限元(上冊) ”,科學出版社.
[41]胡海昌,胡閆莓,(1987)“變分學”,中國建筑工業出版社.
[42]項海帆主編,(2001) “高等橋梁結構理論”,人民交通出版社,第一版.
[43]內政部,(2003) “建築物耐風設計規範及解說(草案) ”
[44]淡江大學,(2005)“橋梁耐風設計準則研究”.
[45]許福友,(2005) “橋梁結構顫振導數識別與顫振分析”,同濟大學博士論文
[46]Bucher C.G. and Bourgund U,(1990) “A Fast and Efficient Response Surface Approach for Structural Reliability Problems”, Structural Safety, vol.7, No.1, p.57-66..
[47]ANSYS Inc. Structure Analysis Guide Release 6.0.
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