大跨度公鐵兩用倒梯形斷面鋼桁梁氣動(dòng)力與抖振性能研究.pdf

1、隨著橋梁施工技術(shù)的進(jìn)步與相關(guān)計(jì)算理論的日趨成熟，大跨度橋梁越來越多地出現(xiàn)在交通線路工程中，由于公路與鐵路橋面車道寬度設(shè)置不同，倒梯形桁梁橋因其特有斷面特征，成為公鐵兩用橋的可選橋型之一。由于其結(jié)構(gòu)桿件較多，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，其氣動(dòng)力性能也是橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中不可忽視的重要因素。本文首先回顧了大跨度桁梁橋的發(fā)展歷史，桁梁橋的氣動(dòng)力研究發(fā)展過程，指出了現(xiàn)有公鐵兩用倒梯形桁梁橋氣動(dòng)力與抖振性能研究對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要意義。針對不同特征尺寸倒梯形桁梁橋

2、，設(shè)計(jì)了多種風(fēng)洞試驗(yàn)研究方案，并借助于計(jì)算流體力學(xué)軟件，對倒梯形桁梁橋的氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)、斜向風(fēng)對氣動(dòng)力參數(shù)的影響，桁架的遮擋效應(yīng)以及氣動(dòng)力沿跨向相關(guān)性進(jìn)行了深入研究。本文的主要研究內(nèi)容主要有:
　　(1)基于非定常氣動(dòng)力荷載公式，結(jié)合氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)物理意義，推導(dǎo)了氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)定義表達(dá)式，采用三種不同特征尺寸倒梯形桁梁模型，進(jìn)行尖塔紊流場中不同風(fēng)速、不同風(fēng)攻角下的剛性節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，對氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)識(shí)別。對比了風(fēng)速、風(fēng)攻角對其影響，并針

3、對試驗(yàn)得到的氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)進(jìn)行公式擬合。
　　(2)采用自主設(shè)計(jì)的能同時(shí)考慮風(fēng)偏角與風(fēng)攻角影響的測力試驗(yàn)設(shè)備，選用兩種不同特征尺寸的倒梯形桁梁模型，進(jìn)行0～180°不同風(fēng)偏角來風(fēng)時(shí)，桁梁在-5°、-3°、0°、3°、5°風(fēng)攻角下的氣動(dòng)力參數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)，揭示其隨風(fēng)偏角與風(fēng)攻角的分布規(guī)律，并將其與常規(guī)理論計(jì)算結(jié)果和規(guī)范值進(jìn)行對比。得出橫橋向來風(fēng)時(shí)不是最不利來流風(fēng)向，氣動(dòng)力參數(shù)隨風(fēng)偏角的變化規(guī)律受桁梁施工狀態(tài)影響不大。
　　(3)對兩

4、榀桁架進(jìn)行不同間距時(shí)的遮擋效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)，采用CFD計(jì)算軟件對相同條件下來流時(shí)桁架的遮擋效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。并通過改變桁架的實(shí)度比，間距比，來流風(fēng)偏角、風(fēng)攻角以及橋面板布置位置狀態(tài)，對不同狀態(tài)下的桁架遮擋效應(yīng)進(jìn)行對比分析。采用上述同樣工況，模擬計(jì)算三榀桁架時(shí)的各對應(yīng)工況下的遮擋效應(yīng)。通過數(shù)值模擬計(jì)算得到的桁架周圍流場圖與速度分布云圖解釋說明了導(dǎo)致桁架在不同狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生遮擋效應(yīng)差異的原因。
　　(4)通過采用雙高頻動(dòng)態(tài)天平同步測力方法，對

5、類平板、扁平鋼箱梁、倒梯形斷面桁梁模型進(jìn)行氣動(dòng)力相關(guān)性分析風(fēng)洞試驗(yàn)。采用兩種不同風(fēng)場特性的紊流風(fēng)場用以生成脈動(dòng)風(fēng)。通過采集得到的不同間距處的各模型氣動(dòng)力時(shí)程與脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，得到兩者沿跨向相關(guān)性分布規(guī)律，對氣動(dòng)力相關(guān)性與脈動(dòng)風(fēng)相關(guān)進(jìn)行對比分析，得出氣動(dòng)力沿跨向相關(guān)性要大于對應(yīng)來流脈動(dòng)相關(guān)性，同時(shí)鈍體斷面的相關(guān)性要小于流線型斷面。
　　(5)利用虛擬激勵(lì)法理論，結(jié)合橋梁抖振響應(yīng)理論公式，推導(dǎo)了基于虛擬激勵(lì)法的多維多點(diǎn)隨機(jī)風(fēng)作用下大跨度