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系統識別號 U0002-0803201315265300
中文論文名稱 等值靜力風載重於橋樑設計上的應用
英文論文名稱 Application of Equivalent Static Wind Loads on Bridge Design
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 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 王彬
研究生英文姓名 Ping Wang
學號 600380025
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-09
論文頁數 74頁
口試委員 指導教授-林堉溢
委員-陳振華
委員-鄭啟明
中文關鍵字 等值靜力風載重  橋樑設計  抖振  風洞實驗 
英文關鍵字 Equivalent Static Wind Load  Bridge Design  Buffeting  Wind tunnel test 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 國內已完成和正施工的懸索支撐橋樑數量日益增多,使得風載重在橋樑設計上受到工程師更多的重視。然而在設計上使用包含靜力與動力的風載重仍是一複雜且繁瑣的工作。目前國內工程實務應用僅將風洞實驗結果當成橋樑設計之檢核。然而橋樑隨跨徑增長,風載重在橋樑設計上愈趨於掌控性的角色,因此設計時應將靜、動態風載重列入載重組合。
一般而言,動態反應可分為兩部分,背景部分及共振部分之反應。主要結構振態之共振部分抖振反應可根據抖振理論求得。背景部分之反應可以外力作用之分佈形式,或慣性力分佈形式表示。前者是以LRC法的概念求得,後者則是以類似於共振部分之方法求得。利用風洞實驗所得之資訊推導在設計風速下橋樑等值靜力風載重。以抖振理論將各振態反應分為共振及背景,再利用形狀函數、權重及尖峰因子,分別推導出各部份在設計風速下之等值靜力風載重,然後與平均風載重組合,可得到最大等值靜力風載重。
為了驗證方法的實用性,本文以簡支樑的結果與文獻做比較,得到相似的結果與分佈。並為了得知方法的實用性,以施工中斜張橋為例子。根據上述例子得出以下結論,以慣性力分佈之載重分佈情況相似於振態形狀,非實際載重之分佈情形,但兩種方法所得到的最大反應值相似,對於分析桿件內力而言,以慣性力分佈形式較為簡便,於工程設計上有一定的實用性。本文亦嘗試利用斷面模型實驗之反應結果產生等值靜力風載重,將反應頻譜分為共振部分及背景部分,分別計算兩部分之等值靜力風載重,使等值靜力風載重可直接由實驗結果得之。
英文摘要 The number of cable-supported bridges completed or under construction has been increasing in recent years. For this type of bridges, wind loads become significant and should be considered in bridge design. However, incorporating both static and dynamic wind loads for design use is still a tedious and difficult task. In current domestic engineering practice, wind tunnel testing is used for confirmation only. Since wind loads play a more dominant role as bridge spans become longer, these loads should be taken into consideration in the design. In this thesis, an approach to generate equivalent static wind loads at the design wind speed based on the information obtained from wind tunnel testing is proposed.
In general, the dynamic responses can be divided into two parts, namely, the background and the resonant responses. Based on the buffeting theory, the resonant part of the buffeting responses contributed by the major structural modes can be derived. The background responses can be expressed in terms of external wind load distribution or inertial load distribution. The former can be derived by using the concept of LRC, while the latter can be derived in a similar way to the resonant responses. Then using the weighting functions and peak factors, the equivalent static wind loads can be generated.
To examine the validity of the analytical approach, the results of a simply-supported beam were calculated and compared with those in the literature. The comparison indicates that the results are in good agreements. For demonstrating the applicability of this approach, an example of a cable-stayed bridge in construction was presented. By using this approach, the equivalent static wind loads can be generated and used for design in a combination with other loads.
論文目次 目錄
圖表目錄 ............................................... IV
第一章 緒 論 ............................................ 1
1-1 前言..............................................................................................1
1-2 研究動機與目的..........................................................................2
1-3 研究內容......................................................................................2
1-4 論文架構......................................................................................3
第二章 文獻回顧 ........................................ 5
2-1 前言..............................................................................................5
2-2 顫振與抖振..................................................................................5
2-2.1 顫振效應(Flutter) .............................. 5
2-2.2 抖振效應(Buffeting) ............................. 6
2-3 等值靜力風載重(Static Equivalent Loading) ...................7
2-3.1 陣風反應因子(Gust Response Factor) ................ 8
2-3.2 LRC 法(Load Response Correlation) .................. 9
2-3.3 慣性力分佈(inertial Load) ......................... 10
2-3.4 權重因子(Weight Factor) .......................... 10
II
第三章 理論背景 ....................................... 12
3-1 抖振理論......................................................................................12
3-1.1 運動方程式 .................................. 12
3-1.2 橋樑所受之風力載重 .......................... 14
3-1.3 抖振反應之數值分析 .......................... 16
3-2 等值靜力風載重........................................................................27
3-2.1 背景部分 ........................................ 28
3-2.1.1 LRC 法................................................................28
3-2.1.2 基於慣性力分佈形式.......................................30
3-2.2 共振等值靜態風載重 .............................. 31
3-2.3 權重因子及載重組合 .............................. 32
第四章 例題探討及比較 .................................. 34
4-1 例題一:兩百公尺簡支樑與文獻之比較................................34
4-1.1 文獻結構性質及參數條件 ......................... 34
4-1.2 比較結果及討論 ................................. 36
4-2 例題二:高勁度簡支樑..............................................................37
4-2.1 結構性質及參數條件 ............................. 37
III
4-2.2 比較結果及討論 ................................ 39
4-2.2.1 背景部分振態選擇之探討...............................39
4-2.2.2 LRC 法及慣性力形式之比較............................40
4-3 例題三:施工中斜張橋............................................................40
4-3.1 結構性質及參數條件 ............................. 41
4-3.2 案例結果及討論 ................................. 42
第五章 斷面模型試驗與等值靜力風載重之探討 .............. 44
5-1 斷面模型試驗............................................................................44
5-2 頻譜分析方法............................................................................45
5-3 從位移頻譜計算等值靜力風載重..............................................47
5-3.1 共振與背景部分 ................................ 47
5-3.2 等值靜力風載重 ................................ 48
5-4 結果與討論................................................................................49
第六章 結論及未來建議 .................................. 50
6-1 結論..........................................................................................50
6-2 未來建議..................................................................................51
參考文獻 ............................................... 52
IV
圖表目錄
表1. 1 顫振導數代表之物理意義 ........................... 55
表4. 1 例題一跨徑中央之垂直向撓曲彎矩反應比較。單位:kgf-m
.................................................... 56
表4. 2 例題二跨徑中央之垂直向位移反應及權重。 ........... 56
表4. 3 例題二四分之一跨徑之垂直向位移反應及權重。 ....... 56
表4. 4 例題二等值載重靜力分析與傳統抖振分析之比較。 ..... 56
表4. 5 例題三結構振態與頻率 ............................. 57
表4. 6 扭轉向等值靜力風載對懸臂端造成扭轉角極值反應及權重
.................................................... 58
表4. 7 垂直向等值靜力風載對懸臂端造成位移極值反應及權重 58
表5. 1 本次實驗模型縮尺比例參數 ........................ 59
表5. 2 斷面模型與長跨徑橋梁結構性質比較 ................ 59
表5. 3 斷面模型頻譜垂直向反應值與共振、背景部分反應 ..... 60
表5. 4 斷面模型頻譜扭轉向反應值與共振、背景部分反應 ..... 60
表5. 5 垂直向相似律轉換結果實橋懸臂端點反應 ............. 61
表5. 6 扭轉向相似律轉換結果實橋懸臂端點反應 ............. 61
V
圖2. 1 風力係數方向示意圖 ............................... 62
圖3. 1 樑元素自由度及風力方向示意圖 .................... 62
圖4. 1 例題一動態風載重比較(造成樑中點最大彎矩) ........ 63
圖4. 2 例題一動態載重組合比較(造成樑中點最大彎矩) ...... 63
圖4. 3 例題二最大動態載重(造成L/2 最大垂直位移) ........ 64
圖4. 4 例題二最大動態載重(造成L/4 最大垂直位移) ........ 64
圖4. 5 案例三橋樑結構型式 .............................. 65
圖4. 6 實際案例參考顫振導數H*1,圖片來源:文獻【16】。 65
圖4. 7 實際案例參考顫振導數H*2,圖片來源:文獻【16】。 66
圖4. 8 實際案例參考顫振導數H*3,圖片來源:文獻【16】。 66
圖4. 9 實際案例參考顫振導數A*1,圖片來源:文獻【16】。 67
圖4. 10 實際案例參考顫振導數A*2,圖片來源:文獻【16】。 67
圖4. 11 實際案例參考顫振導數A*3,圖片來源:文獻【16】。 68
圖4. 12 案例三扭轉向共振、背景部分及靜態風載重(造成懸臂端
最大扭轉角)。 ....................................... 69
圖4. 13 案例三垂直向共振、背景部分及靜態風載重(造成懸臂端
最大垂直位移)。 ..................................... 69
圖4. 14 扭轉向靜+動態載重組合(造成懸臂端最大扭轉角)。 .. 70
VI
圖4. 15 垂直向靜+動態載重組合 (造成懸臂端最大垂直位移)。
.................................................... 70
圖5. 1 (a)實際橋梁斷面尺寸(b)斷面模型橫斷面(c) 斷面模型立體圖
圖片來源:文獻【19】 ................................ 71
圖5. 2 對數座標下垂直向實驗反應頻譜 ..................... 72
圖5. 3 對數座標下扭轉向實驗反應頻譜 ..................... 72
圖5. 4 垂直向實驗頻譜共振部分頻寬 ....................... 73
圖5. 5 扭轉向實驗頻譜共振部分頻寬。 ..................... 73
圖5. 6 相似律轉換後實橋垂直向之等值靜力風載重。 ......... 74
圖5. 7 相似律轉換後實橋扭轉向之等值靜力風載重。 ......... 74
參考文獻 參考文獻

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