復(fù)雜山區(qū)峽谷大跨度鋼桁梁懸索橋風(fēng)致振動及氣動措施.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)域研究的熱點及難點，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)致振動及氣動優(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動網(wǎng)格技術(shù)，計算截面做強(qiáng)迫簡諧振動時氣動力輸入結(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(jié)果進(jìn)行了比較。進(jìn)一步分析了振動頻率、振幅、來流風(fēng)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(jī)理，并討論了圓周運(yùn)動半徑、頻率及來流風(fēng)速對尾流馳振的影響。
　　然后，針對山區(qū)峽谷的大風(fēng)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(fēng)速、風(fēng)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(cè)力大小及變化趨勢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(jìn)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(jié)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(fēng)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(fēng)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(fēng)攻角下結(jié)構(gòu)顫振形態(tài)的變化，從氣動力輸入能量的角度對機(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)定板對顫振穩(wěn)定性的作用及其機(jī)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(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橋梁顫振性能的影響。
　　最后，通過節(jié)段模型風(fēng)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(fēng)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(fēng)速試驗結(jié)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(jìn)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(jìn)一步分析了該措施的機(jī)理及其對橋面車道風(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(dāng)橋塔的漩渦脫落頻率接近吊索的自振頻率時，其振幅將達(dá)到最大。大風(fēng)攻角來流下，中央開槽會使已經(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