斜張橋模態識別與非線性時域分析

Abstract

斜張橋由於具有長跨之優勢，世界建造最長跨度的斜張橋也將超過一千公尺，因此，其發展極為快速。風力對斜張橋所產生的氣動力耦合效應，常成為結構設計重要的考量因素；斜張橋的動力特性，以及受風之引致振動的掌握，則是維護其安全的重要方法。本文主要是探討南二高高屏溪斜張橋的動力行為，並進一步分析其受風力作用下之氣動力行為。研究內容可分為兩大部分，第一部份是動態特性識別研究，本文利用現地微動試驗量測橋梁振動反應，並配合連續小波轉換的識別方法進行模態識別，求得動力特性參數，包括頻率、阻尼比與振態形狀。而此一識別結果用於比對或進一步修正原設計之有限元素模型，藉以獲得較為符合實場狀況之數值分析模式。第二部份則是利用第一階段所建立的分析模式，進行橋梁在風力作用下之非線性時間域分析，求得各風速下之氣動力反應，此一結果將與縮尺之全橋模型風洞實驗結果進行比較。其分析結果顯示，在垂直向與扭轉向反應具有相當之準確度，但在側向的反應預測較差，此也說明以擬靜態方式所建立的線性化之橋梁側向氣動力公式應有修正之必要性。

Modal identification and nonlinear dynamic analyses are carried out for the Kao-Ping-Shi cable-stayed bridge. Identification of the modal parameters of the bridge through ambient vibration tests is first performed. The ambient vibration responses are transformed to free vibration responses using the random decrement technique. Then, an identification method based on continuous wavelet transform is applied to determine the modal parameters. These identified modal parameters are used to ensure the correctness of the finite element modal established based on the design data. Finally, nonlinear dynamic analyses for the bridge are performed for considering the wind-structure interaction in time domain. Geometrical nonlinearity is considered, including cable sag, beam-column and large displacements. The numerical results are also compared with the experimental data from wind tunnel tests.