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原文传递基于CFD的大跨度Π形主梁斜拉桥抗风性能研究

论文题名：	基于CFD的大跨度Π形主梁斜拉桥抗风性能研究
关键词：	大跨度Π形主梁斜拉桥;抗风性能;CFD方法;阻力系数;数值模拟
摘要：	桥梁跨度在不断增加的同时，给现代桥梁带来了不可忽视的结构风致振动问题，大跨度桥梁结构的抗风性能研究在现代桥梁工程的发展中已经起到了至关重要的作用。本文依托四川省泸州市河东长江大桥工程，基于课题组提出的可提高大跨度Π形主梁斜拉桥抗风性能的主梁断面形式（优化断面），采用CFD（ComputationalFluidDynamics）数值模拟方法对优化断面下的河东大桥进行抗风性能研究，主要内容与结论如下：　　(1)采用有限元软件ANSYS建立河东大桥有限元模型，考虑主索索力和自重，对成桥状态下的河东大桥进行模态分析，得到模态频率及模态振型。　　(2)采用二维CFD数值模拟平台分别计算优化断面和原断面的静力三分力系数并对比分析。结果表明：优化断面的阻力系数远小于原断面的阻力系数，对于升力和升力矩系数而言，两种断面无明显差异。　　(3)基于ANSYSFluent自定义函数功能编制桥梁涡振CFD数值模拟程序，并基于文献结果和原断面节段模型风洞试验结果验证其有效性。对优化断面主梁进行涡振CFD数值模拟，结果表明：在-5°、-3°、5°风攻角下，检验风速范围内涡振现象基本消失；在3°风攻角下，竖弯涡振和扭转涡振最大幅值分别为10.37mm和0.089°；在0°风攻角下达到最大涡振响应，竖弯涡振和扭转涡振最大幅值分别为77.42mm和0.222°，均小于规范限值，并且远小于原断面主梁涡振响应。表明优化断面能有效抑制大跨度Π形主梁斜拉桥的主梁涡振响应。　　(4)采用二维CFD数值模拟平台识别理想平板的颤振导数，并与理论解进行对比，结果吻合较好。表明本文采用的CFD数值模拟平台对颤振导数的识别是准确有效的。　　(5)根据原断面和优化断面的颤振导数，基于ANSYSAPDL编制桥梁颤振频域分析程序，对河东大桥进行颤振临界风速的识别，结果表明：原断面下河东大桥颤振临界风速为27m/s，小于颤振检验风速48.54m/s，优化断面下河东大桥颤振临界风速为76m/s，大于颤振检验风速，优化断面下河东大桥可以通过颤振检验，同时表明优化断面能显著提高大跨度Π形主梁斜拉桥的颤振临界风速。　　(6)基于ANSYSAPDL编制桥梁颤振时域分析程序，对优化断面下河东大桥在70m/s、颤振临界风速76m/s、80m/s风速下进行颤振时域分析，结果表明：70m/s风速下结构响应逐渐衰减，76m/s风速下结构响应维持在一个稳定的幅值，80m/s风速下结构响应逐渐发散。时域分析结果与频域分析结果相互吻合，表明本文进行的颤振分析是正确有效的。　　(7)根据原断面和优化断面的三分力系数，基于ANSYSAPDL编制桥梁三维抖振时域分析程序，对河东大桥进行抖振时域分析，结果表明：原断面和优化断面下河东大桥跨中位置主梁横桥向最大位移分别为0.07m和0.034m，竖向最大位移分别为0.77m和0.46m，最大扭转角分别为0.23°和0.14°。优化断面下河东大桥抖振最大响应均小于原断面，优化断面可以有效减小大跨度Π形主梁斜拉桥的抖振响应。
作者：	雷霄
专业：	建筑与土木工程
导师：	施尚伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022