復(fù)雜山區(qū)峽谷大跨度鋼桁梁懸索橋風(fēng)致振動(dòng)及氣動(dòng)措施.pdf

1、隨著中西部地區(qū)公路交通的進(jìn)一步發(fā)展，將會(huì)有越來越多跨越山區(qū)峽谷的大跨度橋梁出現(xiàn)。大跨度橋梁的抗風(fēng)性能是目前風(fēng)工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)，而山區(qū)峽谷中復(fù)雜的地形地貌使來流具有特殊性，使橋梁的風(fēng)致振動(dòng)問題變得更為突出。本文圍繞復(fù)雜來流下大跨度鋼桁梁懸索橋的風(fēng)致振動(dòng)及氣動(dòng)優(yōu)化措施，進(jìn)行了如下研究:
　　首先，發(fā)展了馳振的能量分析方法，通過CFD動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，計(jì)算截面做強(qiáng)迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)氣動(dòng)力輸入結(jié)構(gòu)的能量大小，從而判斷截面是否具備發(fā)生馳振的可能

2、。針對(duì)單方柱截面的馳振，分別通過Den Hartog判據(jù)和能量分析方法判斷了其不穩(wěn)定馳振區(qū)域，并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。進(jìn)一步分析了振動(dòng)頻率、振幅、來流風(fēng)速對(duì)氣動(dòng)力輸入能量的影響，確定了方柱截面馳振的最大振幅及抑制振動(dòng)所需的最小阻尼比。針對(duì)雙圓柱截面的尾流馳振，判斷了下游柱的馳振不穩(wěn)定區(qū)域，從氣動(dòng)力做功的角度分析了尾流馳振的機(jī)理，并討論了圓周運(yùn)動(dòng)半徑、頻率及來流風(fēng)速對(duì)尾流馳振的影響。
　　然后，針對(duì)山區(qū)峽谷的大風(fēng)向角來流，

3、以實(shí)際橋塔為對(duì)象，通過數(shù)值模擬分析了兩串列帶圓角方柱的非定常繞流。研究了風(fēng)速、風(fēng)向角和間距比對(duì)截面氣動(dòng)力系數(shù)的影響，以及由于上、下游塔柱側(cè)力大小及變化趨勢(shì)不同而造成橋塔扭矩增大的效應(yīng)。進(jìn)一步研究了不同來流風(fēng)速、風(fēng)向角下，橋塔尾流對(duì)塔周長(zhǎng)吊索氣動(dòng)特性的干擾。通過對(duì)流場(chǎng)特征及吊索氣動(dòng)力的變化規(guī)律進(jìn)行分析，研究了橋塔尾流作用下塔周長(zhǎng)吊索發(fā)生渦振的可能性。結(jié)合能量分析方法，研究了橋塔尾流作用下塔周長(zhǎng)吊索發(fā)生尾流馳振的可能性。通過風(fēng)洞試驗(yàn)重現(xiàn)了橋

4、塔尾流致塔周長(zhǎng)吊索振動(dòng)的現(xiàn)象，并討論了吊索振動(dòng)軌跡的特點(diǎn)。
　　針對(duì)山區(qū)峽谷的大風(fēng)攻角來流，以具有理想平板斷面的簡(jiǎn)支梁橋?yàn)閷?duì)象，通過數(shù)值模擬研究了不同風(fēng)攻角下結(jié)構(gòu)顫振形態(tài)的變化，從氣動(dòng)力輸入能量的角度對(duì)機(jī)理做了解釋，并進(jìn)一步分析了大風(fēng)攻角下中央開槽和中央穩(wěn)定板對(duì)顫振穩(wěn)定性的作用及其機(jī)理。
　　針對(duì)山區(qū)峽谷的非均勻來流，通過ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)了非均勻來流下橋梁的三維顫振分析。分別考慮來流風(fēng)攻角、來流風(fēng)速沿橋跨方向的非均勻分布，

5、在明確非均勻來流是否會(huì)降低橋梁結(jié)構(gòu)的顫振穩(wěn)定性之后，進(jìn)一步研究了非均勻來流作用位置和作用范圍對(duì)橋梁顫振性能的影響。
　　最后，通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了某大跨度鋼桁梁懸索橋的顫振性能。在確定大風(fēng)攻角下節(jié)段模型試驗(yàn)裝置振動(dòng)方向與實(shí)際橋梁振動(dòng)方向的差異對(duì)顫振臨界風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果的影響后，針對(duì)中央開槽和中央穩(wěn)定板這兩種氣動(dòng)措施進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)比，提出了綜合氣動(dòng)優(yōu)化措施方案，并建立了CFD簡(jiǎn)化板桁模型進(jìn)一步分析了該措施的機(jī)理及其對(duì)橋面車道風(fēng)環(huán)境的

6、影響。
　　結(jié)果表明:能量分析方法的結(jié)果與經(jīng)典研究較為吻合，能夠用于評(píng)判截面的馳振、尾流馳振以及顫振。在相當(dāng)大的風(fēng)向角范圍內(nèi)，橋塔脫落的漩渦會(huì)對(duì)塔周長(zhǎng)吊索的氣動(dòng)特性產(chǎn)生非常大的影響。吊索會(huì)沿順橋向及橫橋向發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)橋塔的漩渦脫落頻率接近吊索的自振頻率時(shí)，其振幅將達(dá)到最大。大風(fēng)攻角來流下，中央開槽會(huì)使已經(jīng)出現(xiàn)鈍體性質(zhì)的平板進(jìn)一步表現(xiàn)出鈍體的性質(zhì)，不利于結(jié)構(gòu)的顫振穩(wěn)定性;中央穩(wěn)定板如果與平板迎風(fēng)端形成的漩渦位于同一側(cè)，將通過阻礙漩渦