本文是一篇土木工程论文，本文以服役中的象山港大桥为工程背景，进行了风致破坏失稳分析，并求得不同工况下的可靠度指标，然后对象山港大桥风致破坏风险进行了评估。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
人类在建造大跨径桥梁上已取得了丰硕的成果，如：我国去年刚建成的港珠澳大桥以及著名的明石海峡大桥，这些都十分具有代表意义。随着桥梁结构整体柔性增强，大跨径桥梁结构对风荷载影响的敏感度也随之提升，其中风致破坏振动对桥梁结构安全的影响，是目前大跨径桥梁必须要考虑的因素之一。
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现在桥梁抗风理论方面的研究虽然已经取得了较为完善的研究成果，但针对大跨径斜拉桥的风致破坏振动风险评估中还存在一些问题，其中最为典型的就是在进行风致破坏分析时，通常采用确定性分析方法，如：计算结构位移响应得到失稳临界风速，来进行抗风性能评估。但在实际中结构参数的不确定性和风的波动对大跨径斜拉桥的气动失稳的影响很大，导致采用确定性的方法进行静风失稳分析是不全面的，因此基于参数不确定性对大跨径斜拉桥进行风致破坏分析更加符合实际。
对于大跨径桥梁来说，在其漫长的使用年限期间，风是导致灾害风险的重要因素，其中风致破坏振动失稳（静风失稳、颤振失稳）尤为重要，桥梁风致破坏失稳一旦发生，将会造成毁灭性影响。风致破坏灾害不仅使得桥梁业主需要承担巨大的风险压力，同时也给使用者埋下了隐患。所以要对服役中的大跨径斜拉桥进行风险分析，及时评估风致破坏振动风险，以尽可能避免桥梁结构失稳事件的发生。因此开展对大跨径斜拉桥风致振动的可靠度分析和风致风险概率研究是十分有必要的。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 静风可靠度研究现状
目前，我国桥梁发展非常之快，桥梁的发展方向为大跨径、质量轻、刚度小、结构阻尼低，因此桥梁对风致作用的敏感性也随之升高，由风荷载引起的安全问题也需要着重考虑，最常见的为静风荷载效应[1]。
桥梁静风失稳是在静风荷载作用下与桥梁结构变形耦合的结果[2]。Hirai教授于1967年悬索桥的风洞试验中观测到由静风作用引起的扭转发散[3]。同济大学通过风洞试验，观测到了汕头海湾二桥斜拉桥静风失稳现象[4]。Boonyapinyo等学者[5]通过不断的对桥梁静风失稳进行探讨和改进，初步探明了静风失稳机制。上述学者关于大跨径桥梁静风失稳问题的深入研究，帮助人们比较深刻的认识了静风失稳的原因，也推动了后继学者对大跨径桥梁静风失稳进行了更深层次的研究。Cheng S等学者[6]采用蒙卡罗特法对桥梁静风稳定性可靠度进行了探究。李加武等人[7]探究了不同参数对大跨径悬索桥静风稳定性的影响程度。
在Tacoma大桥风致破坏振动导致其风毁后，在静风作用下导致的桥梁失稳并未受到重视，结构的动力失稳一直都是大跨径桥梁的抗风研究的重中之重。但是研究表明，随着桥梁跨径的逐渐增加，大跨径桥梁同样存在静风失稳的可能[8]。
国内方明山[9]于1997年综合考虑了静风荷载非线性以及结构的几何非线性这两种因素对静风稳定性的影响，但在分析过程中没有考虑结构材料非线性。程进[10]在对大跨度桥梁静风失稳进行分析时，加入了结构材料非线性的影响，使得大跨度桥梁静风失稳的分析方法更加完整。蔡建钢、董峰辉[11]等按泰勒级数将升力矩展开至二次项，并通过引入实测扭矩-转角函数关系，将二维静风失稳模型进行了改进，并通过推导得到了关于静风失稳风速的计算公式，并计算了大跨径桥梁的静风临界失稳风速，结果表明：所提出的改进方法拥有较高的计算精度及效率。
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2 大跨径斜拉桥特性分析
对于大跨径斜拉桥，其特性分析尤为重要，是进行动力时程分析的第一步，特性分析包括动力特性分析以及气动特性分析，其中气动特性分析根据本文研究内容静风失稳、桥梁颤振又包括了静力三分力系数的模拟以及颤振导数模拟。
2.1 象山港大桥工程背景
宁波象山港大桥为双塔双索面五跨连续半漂浮体系斜拉桥，主跨 688m，桥面宽度 25.5m，大桥索塔总高度为 225.5m [43]。象山港大桥立面图如图2.1所示。
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2.2 斜拉桥动力特性分析
2.2.1 象山港大桥有限元模型的建立
在实际分析中，需要根据具体的研究需要建立合适有限元模型，在实际分析中结构模型建立准确与否直接影响计算精度。对桥梁结构进行整体研究分析中，在保持结构整体刚度、质量分布以及边界条件一致的前提下，对实际结构进行简化，最常见的简化模型为空间杆系模型。主梁的简化形式具体分为单脊梁式模型（鱼骨刺型）、双梁式模型、三梁式模型三种，本文采用最常见的单脊梁式模型即鱼骨刺模型进行分析。
将象山港大桥简化为单脊梁式主梁模型，使用ANSYS参数化语言，建立象山港大桥的有限元模型。桥墩、索塔以及主梁采用可自定义变截面的BEAM188单元；主梁上刚臂采用BEAM4单元，以用来连接主梁和斜拉索；斜拉索采用LINK10单元；压重和二期恒载采用集中质量的方式，用MASS21单元模拟。桥梁整体为半漂浮体系。建模过程分以下几个步骤：
1、统一单位制，根据结构受力情况选择合适的单元类型；
2、接下来通过模型关键点生成几何模型；
3、然后分别通过自定义主梁截面完成主梁建模、定义变截面梁完成桥墩和索塔建模；
4、划分网格生成有限元模型。
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3 大跨径斜拉桥静风失稳分析 ............................... 32
3.1 静风失稳基本理论 ........................... 33
3.2 静风失稳分析 ........................................ 33
4 大跨径斜拉桥颤振失稳分析 .................................. 43
4.1 颤振失稳分析理论 ..................................... 44
4.2 颤振时程分析 .............................. 46
5 风致破坏可靠度分析 .................................... 58
5.1 可靠度分析基本理论 .......................... 58
5.1.1 结构的极限状态以及功能函数的建立 .......................... 58
5.1.2 结构失效概率及可靠度指标 ............................... 58
6 大跨径斜拉桥风致风险分析
6.1 风险分析理论及方法
6.1.1 风险的概念
风险是指一个事件产生我们所不希望的后果的可能性，某一特定危险情况发生的可能性和后果的组合。二十世纪初美国学者HA.Werete认为：风险是客观存在的并且风险具有不确定性。二十世纪20年代美国经济学家F.H.Net在《风险不确定性和利润》[66]一书中指出，风险是可测定的不确定性。二十世纪60年代美国明尼苏达大学教授C.A.Willams认为不确定性是风险分析者主观的判断。二十世纪80年代日本学者武井勋在《风险理论》[67]一书中认为：风险是客观存在的，可能导致损失的可能性；并且他将风险归纳为三个要素：可被测量性、客观存在性、不确定性。
对桥梁结构而言，风险是指在一定时期内，由于某些不确定性因素而导致的损失，反映了结构失稳的可能性以及失稳造成的损失。传统的桥梁结构可靠性的分析方法主要研究桥梁结构整体的失效概率，并由此得出桥梁结构的可靠度指标，但没有考虑桥梁结构失稳后所产生的影响。
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7 结论与展望
7.1 结论
本文以服役中的象山港大桥为工程背景，进行了风致破坏失稳分析，并求得不同工况下的可靠度指标，然后对象山港大桥风致破坏风险进行了评估。本文主要结论归纳如下：
（1）在动力特性分析中，求解计算获得象山港大桥的基频为0.129Hz。气动特性分析主要针对象山港大桥主梁节段模型进行静力三分力系数及颤振导数的求解，在此基础上利用动网格技术和最小二乘法，模拟求解了主梁的颤振导数。
（2）在ANSYS中对象山港大桥进行静风失稳分析得到其静风失稳风速为298m/s，并通过探究各参数对服役中的斜拉桥静风稳定性的影响，结果表明桥梁结构的静风失稳风速随着初始风攻角绝对值的增加呈现非线性降低，并且最终变化曲线趋于平缓；在斜拉索规范使用过程中，随着斜拉索断丝率的变化，静风失稳风速并没有显著变化，斜拉索断丝率对静风失稳风速影响较小，但是要密切监测斜拉索断丝率超过10%的情况，一旦断丝率超过10%，静风失稳风速下降非常快；主梁静力三分力系数中阻力系数和力矩系数相较升力系数来说对桥梁静风失稳风速影响较大；而对斜拉索断索位置，跨中位置的斜拉索断索对静风失稳风速影响较大，使得静风失稳风速下降了12.8%；1/4跨位置断索使静风失稳风速降低了6.25%；桥塔处位置断索仅使静风失稳风速降低了1.5%，几乎可以忽略不计。
（3）用理想平板桥梁模型对颤振时程分析方法进行了验证，准确获得了理想平板桥梁模型的颤振临界风速为134m/s；然后对象山港大桥进行颤振时程分析，得到了象山港大桥的颤振临界风速为64m/s。最后对象山港大桥风致颤振参数影响进行了分析，结果表明主梁刚度在0.5倍-1.5倍之间变化时大桥的颤振临界风速基本呈现S形增加，随着主梁刚度的升高，1.5倍主梁刚度时相较0.5倍时颤振临界风速提高了24.14%；阻尼比在0到1%变化时颤振临界风速由50m/s提升到73m/s，并且颤振临界风速在0-0.5%期间增长速度比0.5%-1%增长速度要快；斜拉索断丝率在0-5%对象山港大桥颤振失稳风速几乎没有影响，5%-10%区间时颤振临界风速随着断丝率的增加缓慢下降，超过10%后下降较快，所以要密切监测斜拉索断丝率超过10%的情况；主跨跨中处的斜拉索对颤振临界失稳风速影响最大，当跨中处的斜拉索断裂时颤振失稳风速下降到53m/s，下降了17.2%，而最靠近桥塔处的拉索断裂对颤振失稳风速几乎没有影响，因此需对主跨跨中附近斜拉索断索情况进行重点关注。
参考文献（略）