淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-2307201314124800
中文論文名稱 人行懸索支撐橋樑氣動力行為研究
英文論文名稱 Study of Aerodynamic Behavior of Cable-supported Pedestrian Bridges
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 2
出版年 102
研究生中文姓名 陳怡儒
研究生英文姓名 I-Ru Chen
學號 699380407
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-01
論文頁數 132頁
口試委員 指導教授-林堉溢
委員-鄭啟明
委員-陳振華
中文關鍵字 人行橋  斜張橋  吊索拱橋  顫振  抖振 
英文關鍵字 Pedestrian Bridge  Cable-Stayed Bridge  Arch Bridge  Flutter  Buffeting 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 在過去十年中,台灣以完成建造或正在施工的長跨徑人行橋梁不斷地增加。這類型的橋梁不僅僅只是為了滿足了交通運輸上的需求,還需要額外提供了娛樂、觀光以及美化環境上的功能,因此建築美學設計就成為了一項重要的環節,而斜張橋與吊索拱橋剛好滿足了這類型的需求。這篇論文的目的在於研究這些行人橋的氣動力行為反應。
在人行斜張橋方面以數值分析結構的動力特性,動力特性包含:自然頻率、模態振形。以跨徑與橋塔類型作為區分,在跨徑長度上選用100公尺到200公尺之間。而橋塔類型則選用三種不同的橋塔:單柱、A型、H型橋塔,探討動力特性上的關係,再進行數值分析顫振臨界風速和抖振反應。本文以兩種不同的橋面版進行模擬分析。
吊索拱橋方面則主要探討拱圈與主梁的相互影響,以相同主梁搭配不同大小拱圈以及單索面和雙索面進行動力分析,探討兩者之間的頻率、振態耦合的情形。
結果顯示,對於斜張橋,跨長和橋面版的寬深比對氣動力行為的影響相當明顯。而橋塔類型的影響是可以忽略不計。對於拱橋,拱和橋面之間的彎曲剛性的比例對氣動力行為是不可忽視的因素。
英文摘要 The number of long-span pedestrian bridges completed or under construction has been increasing during the past decade in Taiwan. In addition to transportation needs, capabilities of recreation and sightseeing are also required for the design of this type of bridges. Therefore, esthetics is one of dominating factors in design. To meet the needs, cable-stayed bridges and arch bridges are often used. The objective of this thesis is to study the aerodynamic behavior of these pedestrian bridges.
For the cable-stayed bridges, a parametric analysis is performed to study the dynamic characteristics of the structures. The dynamic characteristics include natural frequencies and mode shapes of the vibration modes. The parameters studied here contain span lengths and types of towers. The main span lengths are ranged from 100 m to 200 m. Three types of towers are used: single column, A type and H type. Using the information obtained from the modal analysis, a numerical analysis is then conducted to investigate flutter wind speeds and buffeting responses of these bridges. Two types of bridge deck are studied in this analysis.
For the arch bridges, the parameters used in the analysis include deck width and flexural rigidity of arch. The structural coupling between arch and decks in the vibration modes is studied. Then the effects of coupled vibration modes on the flutter wind speed and buffeting responses of bridge decks is discussed.
The results show that the effects of span length and width-depth ratio of deck are significant in the aerodynamic behavior of cable-stayed bridges. The effects of tower types are negligible. For the arch bridges, the ratio of flexural rigidities between arch and bridge deck is an important factor for the aerodynamic behavior.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1-1 研究目的與動機 1
1-2 研究方法 2
1-3 論文架構 3
第一章 緒論 3
第二章 文獻回顧 3
第三章 理論背景 3
第四章 斜張橋與吊索拱橋結構介紹 3
第五章 結果分析與討論 3
第六章 結論與建議 4
第二章 文獻回顧 5
2-1 人行橋近代發展 5
2-2 橋樑氣動力效應 6
2-2.1顫振效應(Flutter) 7
2-2.2抖振效應(Buffeting) 8
2-2.3 渦流顫振(Vortex Shedding) 9
2-2.4扭轉不穩定現象(Torsion Instability) 10
2-2.5風馳效應(Galloping) 10
2-3 人行橋氣動力研究發展 11
第三章 顫振與抖振理論分析 13
3-1橋體外力介紹 13
3-2橋梁結構運動方程式之建立 15
3-3橋梁振態耦合臨界風速分析方法 17
3-4抖振效應之風力交頻譜的推導 21
第四章 人行斜張橋與吊索拱橋之結構型式 33
4-1 前言 33
4-2 吊索系統 34
4-2.1 吊索種類 34
4-2.2 索面配置 36
4-2.3 索面形式 37
4-3 主梁 38
4-3.1主梁形式 39
4-3.2 主梁材料 39
4-3.3 主梁與橋塔(拱圈)連結方式 40
4-4 斜張橋橋塔 41
4-4.1 橋塔類型 41
4-4.2 橋塔材質 43
4-5 吊索拱橋之拱圈 44
4-5.1 拱圈形式 45
4-5.2 拱圈材質 46
4-6 人行橋常見基本型式 46
第五章 人行斜張橋與吊索拱橋之數值分析 48
5-1 前言 48
5-2 斜張橋 49
5-2.1 分類模式 49
5-2.2 結構形式 49
5-2.3 斷面性質 50
5-2.4 結構模擬方式 50
5-2.5 模態分析 51
5-2.6 臨界顫振風速分析 54
5-2.7 抖振位移反應分析 57
5-3 吊索拱橋 59
5-3.1 結構形式 59
5-3.2 單索面與雙索面差異性 60
5-3.3不同拱圈斷面之影響 61
第六章 結論與建議 66
6-1 人行斜張橋 66
6-2 人行吊索拱橋 68
6-3 建議 69
參考文獻 70
附表 75
附圖 102

表目錄
表5. 1橋塔斷面性質 75
表5. 2纜索斷面性質 75
表5. 3主梁斷面性質 75
表5. 4主跨100公尺模態分析 76
表5. 5主跨150公尺模態分析 76
表5. 6主跨200公尺模態分析 77
表5. 7主跨100公尺之鋼箱梁顫振臨界風速 77
表5. 8主跨100公尺之雙主梁顫振臨界風速 77
表5. 9主跨150公尺之鋼箱梁顫振臨界風速 78
表5. 10主跨150公尺之雙主梁顫振臨界風速 78
表5. 11主跨200公尺之鋼箱梁顫振臨界風速 78
表5. 12主跨200公尺之雙主梁顫振臨界風速 78
表5. 13主梁採用BD=7之鋼箱梁,主跨100公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 79
表5. 14主梁採用BD=2.2之鋼箱梁,主跨100公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 80
表5. 15主梁採用BD=6.6之雙主梁,主跨100公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 81
表5. 16主梁採用BD=7之鋼箱梁,主跨150公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 82
表5. 17主梁採用BD=2.2之鋼箱梁,主跨150公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 83
表5. 18主梁採用BD=6之雙主梁,主跨150公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 84
表5. 19主梁採用BD=7之鋼箱梁,主跨200公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 85
表5. 20主梁採用BD=2.2之鋼箱梁,主跨200公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 86
表5. 21主梁採用BD=6之雙主梁,主跨200公尺時,在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,各方向之最大抖振位移反應。 87
表5. 22吊索拱橋斷面性質 88
表5. 23吊索拱橋拱圈斷面性質 88
表5. 24雙索面與單索面纜索性質 88
表5. 25單索面動力分析 89
表5. 26雙索面動力分析 90
表5. 27纜索斷面性質 91
表5. 28主梁3m、5m斷面性質 91
表5. 29不同邊長之拱圈斷面性質 91
表5. 30當主梁寬度3公尺,拱圈邊長1公尺之動力分析 92
表5. 31當主梁寬度3公尺,拱圈邊長1.5公尺之動力分析 93
表5. 32當主梁寬度3公尺,拱圈邊長2公尺之動力分析 94
表5. 33當主梁寬度5公尺,拱圈邊長1公尺之動力分析 95
表5. 34當主梁寬度5公尺,拱圈邊長1.5公尺之動力分析 96
表5. 35當主梁寬度5公尺,拱圈邊長2公尺之動力分析 97
表5. 36主梁3公尺時,拱圈邊長在1m、1.5m、2m時主梁垂直振態變化趨勢 98
表5. 37主梁3公尺,拱圈邊長1m、1.5m、2m順風向振態變化趨勢 98
表5. 38主梁3公尺時,拱圈邊長在1m、1.5m、2m時主梁扭轉振態變化趨勢 99
表5. 39主梁5公尺時,拱圈邊長在1m、1.5m、2m時主梁垂直振態變化趨勢 99
表5. 40主梁5公尺時,拱圈邊長在1m、1.5m、2m時順風向振態變化趨勢 100
表5. 41主梁5公尺時,拱圈邊長在1m、1.5m、2m時主梁扭轉振態變化趨勢 100
表5. 42主梁與拱圈邊長1m、1.5m、2m時,Iy之比值 101
表5. 43主梁與拱圈邊長1m、1.5m、2m時,Ix之比值 101

圖目錄

圖4. 1吊索鋼腱種類[參考文獻] 102
圖4. 2單索面斜張橋 102
圖4. 3雙索面斜張橋 103
圖4. 4多索面斜張橋 103
圖4. 5斜張橋索面形式 104
圖4. 6主梁形式種類 104
圖4. 7斜張橋橋塔種類 105
圖4. 8位於德國的Weil der Stadt Footbridge 105
圖4. 9位於聖地雅哥的Sundial Bridge 106
圖4. 10位於英國的The Novi Sad Friendship Bridge 106
圖4. 11位於挪威的Ypsilon Footbridge 107
圖4. 12位於蘇格蘭的The Aberfeldy Footbridge 107
圖4. 13位於美國林肯的Nebraska Bridge 108
圖4. 14位於美國印地安納州的Venderly Family Bridge 108
圖4. 15位於韓國的The Seonyu footbridge 109
圖4. 16位於西班牙的Arenes River Footbridge 109
圖4. 17連結德國與法國的Tri-Countries Bridge 110
圖4. 18 (1)拱圈 (2)吊索 (3)主梁(橋面板) (F)拱高 (L)總跨長 (b)吊索間距 110
圖4. 19位於美國紐約的The York Millennium Bridge 111
圖4. 20位於西班牙馬德里的M-500 Footbridge 111
圖4. 21位於西班牙的Bellour Footbridge 112
圖5. 1 BD值為6.6之ㄇ型梁H1………………………………… 112
圖5. 2 BD值為6.6之ㄇ型梁H2* 112
圖5. 3 BD值為6.6之ㄇ型梁H3* 112
圖5. 4 BD值為6.6之ㄇ型梁A1* 113
圖5. 5 BD值為6.6之ㄇ型梁A2* 113
圖5. 6 BD值為6.6之ㄇ型梁A3* 114
圖5. 7 BD值為6.6之ㄇ型梁CD 114
圖5. 8 BD值為6.6之ㄇ型梁CL 115
圖5. 9 BD值為6.6之ㄇ型梁CM 115
圖5. 10 BD值為7之鋼箱梁H1* 116
圖5. 11 BD值為7之鋼箱梁H2* 116
圖5. 12 BD值為7之鋼箱梁H3* 117
圖5. 13 BD值為7之鋼箱梁A1* 117
圖5. 14 BD值為7之鋼箱梁A2* 118
圖5. 15 BD值為7之鋼箱梁A3* 118
圖5. 16 BD值為7之鋼箱梁CD 119
圖5. 17 BD值為7之鋼箱梁CL 119
圖5. 18 BD值為7之鋼箱梁CM 120
圖5. 19 BD值為2.2之鋼箱梁H1* 120
圖5. 20 BD值為2.2之鋼箱梁H2* 121
圖5. 21 BD值為2.2之鋼箱梁H3* 121
圖5. 22 BD值為2.2之鋼箱梁A3* 122
圖5. 23 BD值為2.2之鋼箱梁A2* 122
圖5. 24 BD值為2.2之鋼箱梁A3* 123
圖5. 25 BD值為2.2之鋼箱梁CD 123
圖5. 26 BD值為2.2之鋼箱梁CL 124
圖5. 27 BD值為2.2之鋼箱梁CM 124
圖5. 28斜張橋分類流程 125
圖5. 29斜張橋外觀形式 125
圖5. 30橋塔形式 126
圖5. 31吊索拱橋外觀形式 126
圖5. 32主梁外型 126
圖5. 33 BD=7之鋼箱梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,垂直向之最大抖振位移反應。 127
圖5. 34 BD=7之鋼箱梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,順風向之最大抖振位移反應。 127
圖5. 35 BD=7之鋼箱梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,扭轉向之最大抖振位移反應。 128
圖5. 36 BD=2.2之鋼箱梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,垂直向之最大抖振位移反應。 128
圖5. 37 BD=2.2之鋼箱梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,順風向之最大抖振位移反應。 129
圖5. 38 BD=2.2之鋼箱梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,扭轉向之最大抖振位移反應。 129
圖5. 39 BD=6.6之雙主梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,垂直向之最大抖振位移反應。 130
圖5. 40 BD=6.6之雙主梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,順風向之最大抖振位移反應。 130
圖5. 41 BD=6.6之雙主梁跨長100m、150m、200m在風速為20m/s、40m/s、60m/s、80m/s的情況下,扭轉向之最大抖振位移反應。 . 131
參考文獻 【1】Baus, U., Schlaich, M., Footbridges:Structure Design History, Birkhauser Basel, pp.20-22, 2008.
【2】Keil, A., “Design Of Footbridges - Are There Limits?, ” Footbrige, Poland, 2008.
【3】Meier, U., “Advanced Composite Materials For Footbridges,” Footbrige, Poland, 2008.
【4】 Scanlan, R. H., Tomko, J. J., “Airfoil and Bridge Deck Flutter Derivatives,” Journal of Engineering Mechanical Division, ASCE, Vol. 97, pp.1717-1737 1971.
【5】Simiu, E., Scanlan, R. H., “Wind Effects on Structures ,” John Wiley & Sons. 1986.
【6】Kazama, K., Yamada, H. and Miyata, T., “Wind Resistant Design for Long Span Suspension Bridges,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, No. 54/55, pp.65-74 (1995)
【7】謝政宏,“氣動力參數對長跨徑橋梁顫振臨界風速的影響 ”,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(1999).
【8】Hikami, Y., Shiraishi, N., “Rain-Wind Induced Vibrations of Cable Stayed Bridges,”Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 29, pp.409-418(1988).
【9】Yoshimura, T., Savage, M. G., Tanaka, H., and Wakasa, T., “A device for suppressing wake galloping of stayed-cables for cable-stayed bridges,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 49, pp.497-506, 1993.
【10】黃明慧,“曲線斜張橋之氣動力穩定研究,” 私立淡江大學土木工程研究所碩士論文, 2005.
【11】 Katz, C., Kovacs, I., and Morgenthal, G., “Three-dimensional aerodynamic and aeroelastic Analysis of the pedestrian bridge,” D-A-CH Tagung, 2003.
【12】Li, J., Bai, H., and Liu, J., “Experimental Investigation Into Aerodynamic Stability Of A Narrow Bridge For Pedestrian And Livestock,” The Seventh Asia-Pacific Conference, 2008.
【13】Kala, J., Bajer, M., and Barnat , J., “Numerical Simulation Of Dynamic Wind Load Of The Foot-Bridge,”Recent Researches In Geography, Geology, Energy, Environment And Biomedicine, 2011.
【14】Scanlan, R. H.,“Interpreting Aerolastic Models of Cable-Stayed Bridges,”Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 113(4), pp. 555-576(1987).
【15】Tanaka, H., Yamamura, N. and Tatsumi, M., “Coupled Mode Flutter Analysis Using Flutter Derivatives,”Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 41-44, pp.1279-1290(1992).
【16】 李鳳娟,“振態耦合對大跨度橋梁自勵振動現象之影響,”私立淡江大學土木工程研究所碩士論文,1995.
【17】Kaimal, J. C., “Spectrum Charactertics of Surface-Layer Turbulence, ” J. Royal Meteorol. Soc., 98, pp.563-589, 1972.
【18】.Lumley, J. L. and Panofsky, H. A., “The Structure of Atmospheric Turbulence”, Wiley, New York, 1964.
【19】Liepmann, R. W., “On the application of statistical concept to the buffeting problem, ” J. Aero. Sci ., Vol.19, No.12 , 1952.
【20】Vickery, B. J., “On the flow behind a coarse gris and its use a modal of atomspheric turbulence in studies related to wind load on building, ” N. P. L. Aero. Report 1143, 1965.
【21】蔡俊鐿,斜張橋, 第一版, 科技圖書出版, 1999.
【22】林元培編著, 斜拉橋, 第一版, 人民交通出版, 1993
【23】許清雯, “斜張橋設計與分析, ” 私立中原大學土木工程學系, 碩士學位論文, 2003.
【24】Mort , R. E., “A Critical Analysis Of Santiago Calatrava’S Turtle Bay Sundial Bridge,” Proceedings of Bridge Engineering, 2009.
【25】Jan, B., Paweł, H., Mariusz, S., and Adam, M., “Cable-Stayed Footbridge Made Of Glued-Laminated Wood Erected In Sromowce Nizne, Poland,” Footbrige, Poland, 2008.
【26】Antonio, O., Mariacristina, S., “A Running Pedestrian Dynamic Load Model For Footbridges,” Footbrige, Poland, 2008.
【27】Leverett, J. J., “A Critical Analysis Of The Martin Olav Sabo Bridge Minneosota, ” Proceedings of Bridge Engineering, 2009.
【28】Daia , Z., Juan, A., “Pedestrian Bridges Combining Stainless Steel and Glass-Fiber Reinforced Polymers as Structural Members,” Footbrige, Poland, 2008.
【29】Magdi, A. K., Osama, A. H., and Mohammed A. Z., “Analysis and design methodology for an FRP cable-stayed pedestrian bridge,” Department of Civil Engineering, 1995.
【30】Andra , H. P., Burghagen, K., Haberle, U., Svensson, N., “Geh- und Radwegbrucke Weil der Stadt,” Bauingenieur, 2007.
【31】Elizabeth, R. H., “Critical Analysis Of The Novi Sad Friendship Bridge,” Proceedings Of Bridge Engineering, 2009.
【32】Arne, E., Nanna, M., Knut, G., “Ypsilon - Footbridge Over River Drammen, ” Footbrige, Poland, 2008.
【33】Skinner, J. M., “A Critical Analysis Of The Aberfeldy Footbridge,Scotland,” Proceedings Of Bridge Engineering, 2009.
【34】李生智, 異型拱橋, 第一版,人民交通出版社, 1996.
【35】陳寶春, 鋼管混凝土拱橋實例集(一), 第一版, 人民交通出
【36】Rudy, R.,Bandol, A., “Seonyu Footbridge, Seoul,” Bouygues Travaux Publicm, 2002.
【37】Manuel, R., Guillem, C., “Arenes River Footbridge,” Footbrige, Poland, 2008.
【38】Wolfgang, S.,Uwe, H., “Tri-Countries Bridge between Weil am Rhein,” Germany and Huningen, 2007.
【39】Samuel, I., “Critical Analysis Of York Millennium Bridge,” Structural Engineering International, 2001.
【40】Renan, C., Chris, R., and James, W., “Design Of A Pedestrian Bridge Crossing Over Coliseum Boulevard,” Civil Engineering Program-Department Of Engineering , 2009.
【41】Francisco, M. M., Luis, M. R., and Jorge, N. S., “Bowstring Footbridges In The Cycling Ring Road In Madrid,” Footbrige, 2008.
【42】Antonio, G., “A Small Metallic Footbridge With An Eccentric And Leaned Structural Arch In Orense,” Footbrige , Poland, 2008.
【43】“市區道路人行道設計手冊,” 內政部營建署,2003.
【44】趙偉棠, “不同系列橋樑斷面之氣動力參數研究, ” 私立淡江大學土木工程學系碩士學位論文, 2007.
【45】鄭啟明, 林堉溢, 蔡明樹, 黃明慧, 鄭詩穎, “橋梁風洞試驗報告書,” 淡江大學風工程研究中心, 2010.
【46】吳瑞龍, 謝哲雄, 馬昆平, 久保元生, 谷岸淳一, 小川久志, “集鹿大橋吊索修復工程,” 台灣公路工程, 第三十一卷第十一期, 2005
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2013-08-08公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2013-08-08起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信