橋梁風(fēng)雨致顫振穩(wěn)定性分析及邊界層控制方法.pdf

1、大跨橋梁是重要的交通樞紐基礎(chǔ)設(shè)施。隨著橋梁跨度的不斷增加，以及輕質(zhì)高強材料的應(yīng)用，風(fēng)致顫振穩(wěn)定性已成為橋梁設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵問題之一。并且，大跨橋梁所處環(huán)境的極端荷載常常呈風(fēng)雨耦合作用的特點。因此，實現(xiàn)快捷高效的大跨橋梁顫振穩(wěn)定性分析方法，評估降雨對大跨橋梁顫振穩(wěn)定性的影響，以及建立以風(fēng)致顫振為主的經(jīng)濟高效的大跨橋梁抗風(fēng)方法，具有重要意義。
　　本文以基于計算流體動力學(xué)的數(shù)值方法作為研究手段，針對大跨橋梁顫振分析數(shù)值方法、雨流對顫

2、振穩(wěn)定性的影響、大跨橋梁邊界層控制措施三個方面進行了研究。其主要研究內(nèi)容如下：
　　1．針對目前基于數(shù)值方法進行顫振分析具有計算量大、耗時嚴重、計算機硬件要求高的特點，提出了非定常流場定?；俣?，并在Scanlan顫振自激力和強迫振動法測量顫振導(dǎo)數(shù)方法的基礎(chǔ)上,利用CFD進行風(fēng)場模擬，提出了基于非定常流場定?；拇罂鐦蛄侯澱穹治龊喕瘮?shù)值方法，并通過工程實例驗證了本方法的可靠性。
　　2．提出了基于動網(wǎng)格技術(shù)的大跨橋梁顫振分析

3、簡化數(shù)值方法。針對提取大跨橋梁顫振導(dǎo)數(shù)的強迫振動試驗中橋梁節(jié)段模型的運動特點，給出了在橋梁顫振分析中進行風(fēng)場數(shù)值模擬的動網(wǎng)格更新方法、計算域組成方式、網(wǎng)格劃分方法等動網(wǎng)格設(shè)置方法；給出了應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)進行大跨橋梁顫振穩(wěn)定性分析的具體步驟及流程；通過工程實例驗證了本方法的適用性。
　　3．從理論角度推導(dǎo)出雨流對大跨橋梁顫振穩(wěn)定性的影響。首先通過大跨橋梁顫振機理的探討給出了能量與顫振發(fā)生的關(guān)系；然后，通過解耦模型運動方程，得到在顫振臨

4、界點具有完備理論基礎(chǔ)的解耦運動控制方程；最后，在分別探討雨流對作豎向和扭轉(zhuǎn)運動的橋梁節(jié)段模型做功情況的基礎(chǔ)上，得出雨流對大跨橋梁風(fēng)致顫振穩(wěn)定性的影響。
　　4．提出了進行風(fēng)雨共同作用下的大跨橋梁顫振分析方法。通過風(fēng)雨混合體概念的提出，將風(fēng)雨共同作用下的橋梁受力問題轉(zhuǎn)化為風(fēng)雨混合體繞流作用下的橋梁受力問題，在此基礎(chǔ)上，進一步給出了風(fēng)雨混合體來流速度邊界條件以及進行風(fēng)雨混合體作用下橋梁顫振穩(wěn)定性分析的步驟。
　　5．研究了橋梁扁

5、平箱梁斷面邊界層控制的基本問題。首先，從流體邊界層基本理論入手，分析了橋梁扁平箱梁斷面邊界層特點；然后，根據(jù)邊界層控制基本方法，針對大跨橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致靜力與動力問題，提出了基于邊界層改變進而改善大跨橋梁空氣動力學(xué)特性的指導(dǎo)原則與基本方法；最后，針對大跨橋梁顫振穩(wěn)定性這一突出問題，通過實例探討了橋梁風(fēng)嘴改變對顫振穩(wěn)定性的影響，并分析了產(chǎn)生影響的原因。
　　6．研究了橋梁斷面在吹吸氣方式下的流場數(shù)值模擬方法，并提出了利用定常吸氣手段減

6、小橋梁斷面阻力，提高橋梁顫振穩(wěn)定性，進而提高橋梁抗風(fēng)能力的方法。首先，給出了橋梁斷面吸氣孔及其它相關(guān)參數(shù)的設(shè)置方法；然后，考慮了基于CFD數(shù)值方法模擬外流與吸氣共同作用下的橋梁斷面繞流風(fēng)場在計算上的特殊性，并實現(xiàn)了吸氣下橋梁斷面繞流風(fēng)場的數(shù)值模擬；之后，通過對橋梁斷面模型吸氣作用下靜力特性的實例計算，得出了吸氣對于風(fēng)流作用下橋梁靜力作用的影響規(guī)律，并在吸氣下斷面風(fēng)場模擬的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了吹氣作用下橋梁斷面繞流風(fēng)場的模擬，且得出了吹氣對風(fēng)流