復雜山區(qū)峽谷大跨度鋼桁梁懸索橋風致振動及氣動措施.pdf

1、隨著中西部地區(qū)公路交通的進一步發(fā)展，將會有越來越多跨越山區(qū)峽谷的大跨度橋梁出現(xiàn)。大跨度橋梁的抗風性能是目前風工程領域研究的熱點及難點，而山區(qū)峽谷中復雜的地形地貌使來流具有特殊性，使橋梁的風致振動問題變得更為突出。本文圍繞復雜來流下大跨度鋼桁梁懸索橋的風致振動及氣動優(yōu)化措施，進行了如下研究:
　　首先，發(fā)展了馳振的能量分析方法，通過CFD動網(wǎng)格技術，計算截面做強迫簡諧振動時氣動力輸入結構的能量大小，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，并對兩種方法的計算結果進行了比較。進一步分析了振動頻率、振幅、來流風速對氣動力輸入能量的影響，確定了方柱截面馳振的最大振幅及抑制振動所需的最小阻尼比。針對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，從氣動力做功的角度分析了尾流馳振的機理，并討論了圓周運動半徑、頻率及來流風速對尾流馳振的影響。
　　然后，針對山區(qū)峽谷的大風向角來流，

3、以實際橋塔為對象，通過數(shù)值模擬分析了兩串列帶圓角方柱的非定常繞流。研究了風速、風向角和間距比對截面氣動力系數(shù)的影響，以及由于上、下游塔柱側力大小及變化趨勢不同而造成橋塔扭矩增大的效應。進一步研究了不同來流風速、風向角下，橋塔尾流對塔周長吊索氣動特性的干擾。通過對流場特征及吊索氣動力的變化規(guī)律進行分析，研究了橋塔尾流作用下塔周長吊索發(fā)生渦振的可能性。結合能量分析方法，研究了橋塔尾流作用下塔周長吊索發(fā)生尾流馳振的可能性。通過風洞試驗重現(xiàn)了橋

4、塔尾流致塔周長吊索振動的現(xiàn)象，并討論了吊索振動軌跡的特點。
　　針對山區(qū)峽谷的大風攻角來流，以具有理想平板斷面的簡支梁橋為對象，通過數(shù)值模擬研究了不同風攻角下結構顫振形態(tài)的變化，從氣動力輸入能量的角度對機理做了解釋，并進一步分析了大風攻角下中央開槽和中央穩(wěn)定板對顫振穩(wěn)定性的作用及其機理。
　　針對山區(qū)峽谷的非均勻來流，通過ANSYS軟件實現(xiàn)了非均勻來流下橋梁的三維顫振分析。分別考慮來流風攻角、來流風速沿橋跨方向的非均勻分布，

5、在明確非均勻來流是否會降低橋梁結構的顫振穩(wěn)定性之后，進一步研究了非均勻來流作用位置和作用范圍對橋梁顫振性能的影響。
　　最后，通過節(jié)段模型風洞試驗研究了某大跨度鋼桁梁懸索橋的顫振性能。在確定大風攻角下節(jié)段模型試驗裝置振動方向與實際橋梁振動方向的差異對顫振臨界風速試驗結果的影響后，針對中央開槽和中央穩(wěn)定板這兩種氣動措施進行了優(yōu)化對比，提出了綜合氣動優(yōu)化措施方案，并建立了CFD簡化板桁模型進一步分析了該措施的機理及其對橋面車道風環(huán)境的

6、影響。
　　結果表明:能量分析方法的結果與經(jīng)典研究較為吻合，能夠用于評判截面的馳振、尾流馳振以及顫振。在相當大的風向角范圍內，橋塔脫落的漩渦會對塔周長吊索的氣動特性產(chǎn)生非常大的影響。吊索會沿順橋向及橫橋向發(fā)生振動，當橋塔的漩渦脫落頻率接近吊索的自振頻率時，其振幅將達到最大。大風攻角來流下，中央開槽會使已經(jīng)出現(xiàn)鈍體性質的平板進一步表現(xiàn)出鈍體的性質，不利于結構的顫振穩(wěn)定性;中央穩(wěn)定板如果與平板迎風端形成的漩渦位于同一側，將通過阻礙漩渦