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原文传递基于CFD数值模拟的大跨度非对称悬索桥颤振稳定分析

论文题名：	基于CFD数值模拟的大跨度非对称悬索桥颤振稳定分析
关键词：	悬索桥;颤振性能;临界风速;计算流体力学
摘要：	随着悬索桥梁结构的跨度不断增大，其颤振振动稳定性问题也是逐渐显著。尤其是随着近年来山区高速公路的大力建设，非对称的悬索桥梁结构形式的也不断出现，此类构造对于大跨度悬索桥结构的颤振稳定性也有所影响且此类悬索桥结构颤振分析研究较少。因此，为了能够较好的分析体现非对称结构形式对悬索桥颤稳定性的影响，本文研究分析了三类不同非对称构造对悬索桥颤振临界风速的影响。所以，本文以一座大跨度非对称支撑的悬索桥为研究背景，采用CFD数值模拟识别主梁断面颤振导数后，基于频域全模态法编制相应APDL双参数三维颤振分析程序，分析了不同非对称构造颤振临界风速的影响。最后基于CFD数值模拟研究了主梁断面气动外形参数优化颤振性能影响分析，主要研究内容和结论如下：　　(1)基于了桥梁颤振和CFD数值模拟方法求解基本理论，将理想平板颤振导数进行了数值模拟识别得到后与Theodorsen理论解析解进行了验证，结果分析得到了理想平板导数的理论解与数值识别拟合结果整体误差很小，颤振导数随折算风速变化的趋势也是基本一致，从而验证了本文数值模型建立设置和数值模拟过程方法的可行和可靠性。　　(2)基于分离强迫振动法数值模拟分别识别了在0°和±3°风攻角下的施工阶段主梁断面和在0°风攻角下带有附属桥面设施的成桥主梁断面的颤振导数，并求得相应二维颤振临界风速，与试验测得结果进行了相应比较后，分析结果得到了试验结果与数值模拟识别颤振导数结果曲线整体趋势上随折算风速变化是一致的，误差相对比较小；颤振临界风速数值模拟识别拟合计算结果与试验测得结果误差不超过7%，计算结果也是比较可靠的，数值模拟识别的结果也为后面非对称悬索桥三维颤振分析提供了颤振导数插值。　　(3)根据前面数值模拟识别颤振导数结果，将气动自激力采用MATRIX27矩阵单元在ANSYS全桥模型中进行实现，建立了不同等高支撑、边跨主缆非对称和边跨吊杆非对称的三类全桥颤振有限元分析模型，并编制相应双参数搜索迭代的APDL计算程序进行三维颤振稳定性分析，根据计算结果分析得到了不等高支撑和边跨吊杆非对称布置的非对称结构形式会使得悬索桥梁自振频率和扭弯频率比变小，从而使得其颤振临界风速减小，颤振稳定性有所下降；边跨主缆跨度不等的非对称结构形式几乎对结构自振特性没有改变，在一定范围内的非对称跨径组合布置对悬索桥颤振稳定性影响很小，几乎可以不考虑对悬索结构的颤振稳定性影响。　　(4)最后基于数值模拟研究了主梁断面气动外形参数优化颤振性能影响分析，结果对比分析得到了断面的高宽比、斜腹板倾角和风嘴夹角三种气动外形的参数变化，并不会对主梁断面颤振导数A1和A3并不会有太大的影响；在避免主梁断面接近钝体断面前提情况下，会存在一个最优的宽厚比值使得主梁结构颤振稳定性达到最好；主梁断面的倾斜腹板角度在18°和15°之间颤振临界风速有了明显提高，颤振稳定性相对比较好；主梁结构横断面风嘴角度度比较小时颤振稳定性能相对比较好，尤其是在29°左右效果最佳。
作者：	舒鹏
专业：	土木工程
导师：	郝宪武
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2021