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原文传递复杂山区峡谷大跨度钢桁梁悬索桥风致振动及气动措施

论文题名：	复杂山区峡谷大跨度钢桁梁悬索桥风致振动及气动措施
关键词：	钢桁梁悬索桥;风致振动;气动性能;抗风性能
摘要：	随着中西部地区公路交通的进一步发展，将会有越来越多跨越山区峡谷的大跨度桥梁出现。大跨度桥梁的抗风性能是目前风工程领域研究的热点及难点，而山区峡谷中复杂的地形地貌使来流具有特殊性，使桥梁的风致振动问题变得更为突出。本文围绕复杂来流下大跨度钢桁梁悬索桥的风致振动及气动优化措施，进行了如下研究: 　　首先，发展了驰振的能量分析方法，通过CFD动网格技术，计算截面做强迫简谐振动时气动力输入结构的能量大小，从而判断截面是否具备发生驰振的可能。针对单方柱截面的驰振，分别通过Den Hartog判据和能量分析方法判断了其不稳定驰振区域，并对两种方法的计算结果进行了比较。进一步分析了振动频率、振幅、来流风速对气动力输入能量的影响，确定了方柱截面驰振的最大振幅及抑制振动所需的最小阻尼比。针对双圆柱截面的尾流驰振，判断了下游柱的驰振不稳定区域，从气动力做功的角度分析了尾流驰振的机理，并讨论了圆周运动半径、频率及来流风速对尾流驰振的影响。　　然后，针对山区峡谷的大风向角来流，以实际桥塔为对象，通过数值模拟分析了两串列带圆角方柱的非定常绕流。研究了风速、风向角和间距比对截面气动力系数的影响，以及由于上、下游塔柱侧力大小及变化趋势不同而造成桥塔扭矩增大的效应。进一步研究了不同来流风速、风向角下，桥塔尾流对塔周长吊索气动特性的干扰。通过对流场特征及吊索气动力的变化规律进行分析，研究了桥塔尾流作用下塔周长吊索发生涡振的可能性。结合能量分析方法，研究了桥塔尾流作用下塔周长吊索发生尾流驰振的可能性。通过风洞试验重现了桥塔尾流致塔周长吊索振动的现象，并讨论了吊索振动轨迹的特点。　　针对山区峡谷的大风攻角来流，以具有理想平板断面的简支梁桥为对象，通过数值模拟研究了不同风攻角下结构颤振形态的变化，从气动力输入能量的角度对机理做了解释，并进一步分析了大风攻角下中央开槽和中央稳定板对颤振稳定性的作用及其机理。　　针对山区峡谷的非均匀来流，通过ANSYS软件实现了非均匀来流下桥梁的三维颤振分析。分别考虑来流风攻角、来流风速沿桥跨方向的非均匀分布，在明确非均匀来流是否会降低桥梁结构的颤振稳定性之后，进一步研究了非均匀来流作用位置和作用范围对桥梁颤振性能的影响。　　最后，通过节段模型风洞试验研究了某大跨度钢桁梁悬索桥的颤振性能。在确定大风攻角下节段模型试验装置振动方向与实际桥梁振动方向的差异对颤振临界风速试验结果的影响后，针对中央开槽和中央稳定板这两种气动措施进行了优化对比，提出了综合气动优化措施方案，并建立了CFD简化板桁模型进一步分析了该措施的机理及其对桥面车道风环境的影响。　　结果表明:能量分析方法的结果与经典研究较为吻合，能够用于评判截面的驰振、尾流驰振以及颤振。在相当大的风向角范围内，桥塔脱落的漩涡会对塔周长吊索的气动特性产生非常大的影响。吊索会沿顺桥向及横桥向发生振动，当桥塔的漩涡脱落频率接近吊索的自振频率时，其振幅将达到最大。大风攻角来流下，中央开槽会使已经出现钝体性质的平板进一步表现出钝体的性质，不利于结构的颤振稳定性;中央稳定板如果与平板迎风端形成的漩涡位于同一侧，将通过阻碍漩涡移动的方式提高结构的颤振稳定性。相比沿桥跨方向风攻角或风速的平均值而言，来流的非均匀分布会降低桥梁的颤振性能，且对桥梁跨中附近位置的影响最大。当跨中风攻角小于两侧时，大跨度钢桁梁悬索桥的颤振临界状态甚至可能由频率较高的反对称扭转模态决定。对于大跨度钢桁梁悬索桥，封闭中央开槽并在桥面板中央上、下侧设置稳定板，可以有效提高结构的颤振稳定性，并使零攻角和负攻角来流下桥面各车道的风环境得到一定程度的改善。
作者：	唐浩俊
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李永乐
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文