山區(qū)窄式懸索橋加勁梁斷面氣動選型數(shù)值分析.pdf

1、大跨徑懸索橋的幾何非線性特點決定了其結構很容易受活荷載作用影響，如車道荷載、風荷載等動力荷載。因此，對于大跨徑結構的橋梁，動力性能的分析是必要的，也是設計中的關鍵步驟。本文以地處甘肅省永靖縣內的劉家峽大橋為工程背景，圍繞橋梁主梁斷面氣動分析，在已有的研究工作上，采用以理論分析為基礎，利用風洞試驗和有限元數(shù)值模擬方法對橋梁主梁斷面氣動性能進行了局部到整體的分析研究。主要工作及研究結論有：
　?。?）歸納整理了劉家峽大橋加勁梁節(jié)段風洞

2、試驗數(shù)據(jù)，得出三分力系數(shù)隨折減風速的變化規(guī)律以及8個氣動導數(shù)，并為后面數(shù)值分析提供對比條件。通過風洞節(jié)段模型試驗測定三分力系數(shù)，繪制三分力系數(shù)隨風攻角變化的曲線圖，并分析氣動三分力系數(shù)與顫振穩(wěn)定性能之間的關系，從而通過橋梁不同斷面的靜三分力系數(shù)，對其結構斷面顫振穩(wěn)定性進行快速評價和判定。橋梁斷面的氣動力參數(shù)對于橋梁設計選型，以及橋梁結構的安全性和經(jīng)濟性具有重要意義。
　?。?）為了更好的說明橋梁斷面氣動選型的優(yōu)劣性，在已有的橋梁主

3、梁斷面中選取與劉家峽大橋主梁橫截面尺寸相似的鋼箱式主梁，其主梁凈寬15.6m，高2m。利用Midas FEA中的CFD方法建立主梁斷面氣動數(shù)值模型，研究在幾何條件相似的情況下，給定同樣的邊界條件和分析工況，其斷面氣動性能的優(yōu)劣。從提取的三分力系數(shù)以及隨時間變化的壓力場分布圖中，綜合分析對比，鋼桁式加勁梁斷面氣動性能要好于鋼箱式加勁梁。
　?。?）僅從加勁梁節(jié)段斷面氣動數(shù)值模擬來說明整個懸索橋的抗風性能是片面的，不完全的。因此建立懸

4、索橋三維空間有限元動力模型，將兩種不同截面形式的加勁梁歸于橋梁整體結構中，添加邊界條件，設定分析工況，對懸索橋整體抗風性能進行分析計算，提取前六階振動模態(tài)。選取橋梁中跨跨中加勁梁作為研究對象，整理分析在風速逐級加載的過程中，加勁梁豎向、側向以及扭轉位移值，并以直觀的曲線圖列出。在橋梁整體分析中得出，結合劉家峽大橋結構特點，兩種截面形式主梁的懸索橋均滿足其抗風要求，但選用鋼桁式截面加勁梁的抗風性能更強，更適合劉家峽大橋自身特色。
　

5、　（4）在數(shù)值模擬橋梁斷面氣動計算中，有限元Midas FEA中只能進行二維CFD分析，而鋼桁式加勁梁是多個桿件組合非閉合式梁，若要確切、精準的模擬該主梁在風場環(huán)境中的氣動性能，需要一個三維空間模型。目前在ANSYS中有Workbench、FLOTRAN等模塊可以進行空氣流場的仿真模擬，在工程領域也有很好的實際應用。
　　在數(shù)據(jù)研究分析中均考慮了大跨徑懸索橋結構的受力特點以及劉家峽大橋橋址所處地理環(huán)境、季節(jié)性氣候的影響。加之該橋是