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原文传递桥梁风雨致颤振稳定性分析及边界层控制方法

论文题名：	桥梁风雨致颤振稳定性分析及边界层控制方法
关键词：	大跨桥梁;风雨致颤振;稳定性分析;边界层控制
摘要：	大跨桥梁是重要的交通枢纽基础设施。随着桥梁跨度的不断增加，以及轻质高强材料的应用，风致颤振稳定性已成为桥梁设计需要考虑的关键问题之一。并且，大跨桥梁所处环境的极端荷载常常呈风雨耦合作用的特点。因此，实现快捷高效的大跨桥梁颤振稳定性分析方法，评估降雨对大跨桥梁颤振稳定性的影响，以及建立以风致颤振为主的经济高效的大跨桥梁抗风方法，具有重要意义。　　本文以基于计算流体动力学的数值方法作为研究手段，针对大跨桥梁颤振分析数值方法、雨流对颤振稳定性的影响、大跨桥梁边界层控制措施三个方面进行了研究。其主要研究内容如下：　　1．针对目前基于数值方法进行颤振分析具有计算量大、耗时严重、计算机硬件要求高的特点，提出了非定常流场定常化假定，并在Scanlan颤振自激力和强迫振动法测量颤振导数方法的基础上,利用CFD进行风场模拟，提出了基于非定常流场定常化的大跨桥梁颤振分析简化数值方法，并通过工程实例验证了本方法的可靠性。　　2．提出了基于动网格技术的大跨桥梁颤振分析简化数值方法。针对提取大跨桥梁颤振导数的强迫振动试验中桥梁节段模型的运动特点，给出了在桥梁颤振分析中进行风场数值模拟的动网格更新方法、计算域组成方式、网格划分方法等动网格设置方法；给出了应用动网格技术进行大跨桥梁颤振稳定性分析的具体步骤及流程；通过工程实例验证了本方法的适用性。　　3．从理论角度推导出雨流对大跨桥梁颤振稳定性的影响。首先通过大跨桥梁颤振机理的探讨给出了能量与颤振发生的关系；然后，通过解耦模型运动方程，得到在颤振临界点具有完备理论基础的解耦运动控制方程；最后，在分别探讨雨流对作竖向和扭转运动的桥梁节段模型做功情况的基础上，得出雨流对大跨桥梁风致颤振稳定性的影响。　　4．提出了进行风雨共同作用下的大跨桥梁颤振分析方法。通过风雨混合体概念的提出，将风雨共同作用下的桥梁受力问题转化为风雨混合体绕流作用下的桥梁受力问题，在此基础上，进一步给出了风雨混合体来流速度边界条件以及进行风雨混合体作用下桥梁颤振稳定性分析的步骤。　　5．研究了桥梁扁平箱梁断面边界层控制的基本问题。首先，从流体边界层基本理论入手，分析了桥梁扁平箱梁断面边界层特点；然后，根据边界层控制基本方法，针对大跨桥梁结构的风致静力与动力问题，提出了基于边界层改变进而改善大跨桥梁空气动力学特性的指导原则与基本方法；最后，针对大跨桥梁颤振稳定性这一突出问题，通过实例探讨了桥梁风嘴改变对颤振稳定性的影响，并分析了产生影响的原因。　　6．研究了桥梁断面在吹吸气方式下的流场数值模拟方法，并提出了利用定常吸气手段减小桥梁断面阻力，提高桥梁颤振稳定性，进而提高桥梁抗风能力的方法。首先，给出了桥梁断面吸气孔及其它相关参数的设置方法；然后，考虑了基于CFD数值方法模拟外流与吸气共同作用下的桥梁断面绕流风场在计算上的特殊性，并实现了吸气下桥梁断面绕流风场的数值模拟；之后，通过对桥梁断面模型吸气作用下静力特性的实例计算，得出了吸气对于风流作用下桥梁静力作用的影响规律，并在吸气下断面风场模拟的基础上，实现了吹气作用下桥梁断面绕流风场的模拟，且得出了吹气对风流作用下桥梁断面静力作用的影响规律。最后，通过对吸气作用下虎门大桥颤振稳定性的计算，得出了定常吸气对大跨桥梁颤振稳定性的影响规律。
作者：	辛大波
专业：	力学、工程力学
导师：	欧进萍
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文