第一章 绪论
除了这类柔性人行桥之外，还有一种具有加劲梁结构的人行桥，加劲梁式人行桥具有较好的使用舒适性，所以具有良好的应用前景。按照结构受力特点来分，理论上这类人行桥可以选用梁式桥、拱式桥、斜拉桥、悬索桥、组合体系桥等五大类型；依据跨度适用性来分，梁式桥和拱式桥的跨度有限，而缆索支撑体系桥梁跨越能力较大，所以跨越大型山谷或者较宽河流的桥梁多采用悬索桥结构，比如已建成的跨越 173m 深谷的主跨 390m 的日本九重梦大桥、跨越 143m 深谷的主跨 420m 的中国山东天蒙景区人行悬索桥、跨越 300m 深谷的主跨 385m 的张家界大峡谷人行悬索桥，以及计划修建的跨越景观河流的主跨 369m 的中国四川凤垭山景区孝心桥。对于这些具有加劲梁结构的大跨人行悬索桥一般桥面较窄（日本九重梦大桥的桥面宽度仅为 1.5m），刚度较小，其自振频率较小，结构的动力稳定性较差，而且往往跨越深切峡谷，桥址风环境恶劣，容易引发较大振幅的风致振动，所以抗风设计是这类桥梁的重要方面。
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大跨桥梁的现代抗风研究已经走过 70 余年，虽然现有理论模型存在很多假定，需要完善和进一步分析的问题很多，但是当前桥梁抗风理论已经基本满足桥梁工程建设的需要，针对公路或铁路大跨桥梁的抗风应用研究比较广泛，对于车载桥梁的抗风性能应用研究也已经较为充分。由于很多大跨人行桥采用索道桥，这类桥梁对风荷载适用性较强几乎不需要进行抗风设计，而具有加劲梁结构的大跨人行悬索桥目前数量不多，所以当前专门针对大跨加劲梁人行悬索桥的抗风研究并不多。
1.2.1 既有研究案例
日本九重梦人行悬索桥因为极小的宽跨比和高跨比导致抗风能力薄弱，大桥采用抗风缆、风嘴和格栅桥面来提高自身的抗风能力[2-3]。湖南张家界大峡谷人行桥加劲梁初步设计断面颤振稳定性较差，尤其是外倾式低透风率栏杆结构不利于提高颤振稳定性，最终采用普通格栅高透风率栏杆，并加装梁端风嘴以及下稳定板综合气动措施解决了颤振稳定性问题[4]。1993 年建成的捷克斯维斯湾桥为一座大跨预应力混凝土人行悬索桥，主跨为 252m，梁高仅为 0.4m，高跨比达 1:630，该桥以其创新的设计，于 1994 年获得在美国华盛顿召开的第 12 届 FIP 大会颁发的杰出工程结构大奖，大桥通过斜置桥塔和体内预应力索来提高整体刚度和抗风稳定性，研究表明该桥由于自身频率较低，对行人荷载并不敏感，几何缩尺比为 1:130 的气动弹性风洞试验验证了该桥具有良好的气动稳定性[8]。Tanaka 通过在某人行悬索桥跨中添加紧扣缆索与主梁的夹锁装置，可以大大减小跨中竖向挠度，提高颤振临界风速，且抑制了涡激振动[26]。Flaga 研究了四座不同结构特点的大跨人行悬索桥气动性能，研究表明倾斜主缆、水平桁架、水平拱等悬索桥结构抗风能力能满足需求[27]。
Luca Salvatori 通过一个两断面简化模型分析了悬索桥结构非线性与风速跨向相关性对颤振稳定性的影响，对于 100m 主跨的轻人行悬索桥算例分析发现，线性计算会人为减小颤振临界风速，风速跨向全相关会低估结构的响应[28]。Taylor 通过离散涡数值模拟和 POD 方法研究了一座π形主梁人行桥的气动特性与气弾稳定性，研究发现π形裸梁具有较好的颤振稳定性，但是在π形主梁梁端敷设栏杆会降低颤振稳定性，不同形式的栏杆对颤振稳定性的影响也不同[29-30]。
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第二章 大跨加劲梁人行悬索桥动力特性研究
桥梁动力特性有助于认识和预判桥梁结构的动力响应，频率（周期）、模态质量以及振型是桥梁动力特性的主要参数。进行风洞试验、动力荷载分析均依赖于结构动力特性，有限元分析方法是获取桥梁结构动力特性直接而有效的手段。本章即基于有限元分析方法对大跨加劲梁人行悬索桥动力特性展开详致分析，分析多种设计方案的动力特性，分析几种极端状态的动力特性，为相关人行悬索桥设计提供一定的参考，同时本章计算的宽加劲梁设计方案以及极端状态等动力特性也为本文后续章节风洞试验提供了模型设计基本参数。
结构动力特性分析就是矩阵特征值分析，其中特征值对应于频率，特征向量对应于振型。对于桥梁结构动力特性分析，一般可以忽略阻尼和非线性的影响。缆索承重桥梁的缆索应力对结构体系刚度有很大贡献，所以模态分析前首先要对结构进行静力计算，并将结构的应力刚度矩阵[S]计入结构的动力平衡方程中，
本文采用 Block Lanczos 方法进行模态分析求解，该方法是经典 Lanczos 的改进，用于求解系统的特征值问题，具有求解速度快、可以指定特征值范围等特点。在进行风洞试验节段模型质量系统模拟时应使用考虑全桥振动效应和振动空间特性的主梁等效质量和等效质量惯矩[32]，由于桥梁结构对风响应的特点，一般只关心主梁结构一阶竖弯模态与一阶扭转模态对应的等效质量与等效质量惯矩，通常选取一组频率较低的反对称竖弯、扭转基频或者正对称竖弯、扭转基频。主梁等效质量和等效质量惯矩可按下式计算：
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本文主要以山东临沂天蒙景区人行悬索桥为研究背景，该桥的初步设计方案与施工图设计方案有较大不同，主要原因就在于抗风层面的考虑。垂跨比、抗风缆、中央扣等结构方案对结构动力特性有着不同程度的影响。本小节将针对这些方案展开动力特性对比分析，研究不同结构方案对动力特性的影响。
2.2.1 窄加劲梁设计方案
天蒙景区人行悬索桥位于山东省临沂市费县东北部蒙山天蒙旅游区内，该旅游区规划范围北至和蒙阴、沂南交界处，南至日东高速沿线，西至和平阴、蒙阴交界处，东至京沪高速沿线。大桥设计跨越深谷连接望海楼和玉皇顶两个景点，2012 年提出大桥的初步设计方案，本文称之为窄加劲梁设计方案。初步设计方案为主跨 420m 单跨双塔加劲梁悬索桥，初步设计立面布置如图 2.1 所示，大桥横跨最大深度 143m 的山谷，跨径组合为 38+420+48m，桥面无纵坡，桥面距离望海楼侧山顶 76m，距离玉皇顶侧山顶 36m。采用较小的矢跨比 1/12 来提高桥面高度和增加结构刚度，两根主缆中心距为 3m，吊杆纵向间距 3m。桥面板两端设置风嘴结构，加劲梁梁端设置两根抗风缆，抗风缆跨中到两端的倾角变化范围为 32°~37°，受地形限制，两侧抗风缆锚固点并不对称。桥塔采用混凝土框架式结构，锚碇采用重力式锚碇。
初步设计加劲梁标准横截面见图 2.2，加劲梁为纵横型钢组合体系，梁宽为 3.5m。横梁采用 28b 型工字钢，横梁顺桥向间距 3.0m，横梁与横梁之间设置由 100×100×12mm角钢组成的“X”撑进行加劲，以提高主梁刚度和稳定性，横梁上部设置 4 道纵梁，纵梁采用 20b 型工字钢，纵梁与横梁通过焊接连接。纵梁上面铺设 3 块厚度 10cm 宽度 80cm混凝土桥面板，桥面板上铺 3mm 厚塑胶，桥面板通过高强螺栓与纵梁连接，桥面板两侧设置风嘴。主梁在桥塔中心线处设置伸缩缝，桥塔处主梁下方设置竖向支座，主梁梁端侧向设置抗风支座。护栏网方孔基本尺寸 16mm，金属丝直径 3.15，参考标准为 GB/T5330-2003，筛分面积百分率为 69.8%，即透风率为 69.8%。桥塔采用钢筋混凝土门形框架结构，包括塔柱、横梁以及附属设施（爬塔、防雷系统、景观照明等预埋件）。塔柱和上横梁均采用 C50 混凝土，塔顶截面 2m（顺桥向）×1.5m（横桥向），塔底截面 2.5m（顺桥向）×2m（横桥向），上横梁截面为 1.5m×1.5m。左右两侧塔柱中心间距：塔顶 3.0m，塔底 6.0m。塔柱均采用倒圆角矩形实心断面，圆角半径为 0.1m，桥塔总高度为 37.58m。
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3.1 桥梁非线性静风稳定性理论及其有限元分析.......................... 27
3.1.1 桥梁非线性静风稳定性分析理论...................................27
第四章 大跨加劲梁人行悬索桥涡振与抖振研究...........................59
4.1 加劲梁节段模型涡振试验研究........................................59
4.1.1 涡振试验设计...............................................59
第五章 大跨加劲梁人行悬索桥颤振稳定性研究........................87
5.1 桥梁颤振分析理论.................................
