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原文传递半封闭箱梁断面自激气动力的非线性特性研究

论文题名：	半封闭箱梁断面自激气动力的非线性特性研究
关键词：	半封闭箱梁断面;自激气动力;非线性特性;强迫振动法
摘要：	近年来随着工程技术的进步，桥梁不断向着大跨度、轻柔化方向发展，导致桥梁对风的敏感性增强，桥梁抗风稳定性问题越来越突出，在四种风振类型中，颤振是最危险的一种振动形式。现阶段的桥梁颤振分析以 Scanlan 提出的线性非定常自激力模型为基础，该自激力模型以线性和小振幅运动假设为前提，忽略了桥梁气动外形及其他因素如振幅、频率、风来流攻角等带来的影响。事实上，各类桥梁断面都具有不同程度的钝体特性，其自激气动力在上述因素的影响下不可避免地存在非线性特性。若桥梁自激气动力的非线性效应显著，可能会影响 Scanlan 线性模型的适用范围，从而无法满足当今大跨度桥梁抗风设计的需要，甚至导致线性理论推导出的颤振临界风速存在不安全的偏差。因此，开展桥梁断面自激气动力的非线性特性的研究是非常必要的。　　本文的主要工作有：　　（1）对本文的研究对象浙江台州椒江二桥半封闭箱梁断面进行了网格划分，根据湍流模型、计算工况和经验公式，合理选择了计算域的大小、网格尺寸及数量、近壁面网格高度及数值计算参数。进行了网格数量和数值计算时间步长的无关性验证，并通过风洞试验验证了断面网格的可靠性。　　（2）基于 CFD 动网格技术建立数值风洞，采用分状态强迫振动法识别出单自由度竖向及扭转运动下半封闭箱梁断面的自激气动力，发现气动力的时程曲线存在不同程度的波形畸变。通过快速傅里叶变换（FFT）获得频域数据进行分析，发现了自激气动力中存在高次谐波分量，即半封闭箱梁断面自激气动力存在倍频现象。　　（3）为探究半封闭箱梁断面自激气动力随运动参数变化的特性及规律，开展了不同振幅、频率、风攻角下的分状态强迫振动，并进行了流场分析。发现运动参数的变化对半封闭箱梁断面自激气动力的非线性效应具有显著影响，气动力非线性成分比重随振幅的增大而增大，振幅对扭转运动非线性成分的影响基本高于竖向运动，气动升力的非线性成分比重大体上高于气动扭矩。气动力非线性成分比重随驱动频率的变化曲线存在明显驻点，风攻角的存在使得非线性成分占比达到 30%以上，且大幅提升了二次谐波所占比重。另外，在大振幅和正攻角状态下发现了并非整数倍的高次谐波成分。　　（4）进行了弯扭两自由度耦合的强迫振动数值模拟，将不同振幅的竖向运动和扭转运动进行组合，探究半封闭断面非线性气动力的在不同组合工况下的特性。弯扭耦合强迫振动中，随着振幅的增加，气动力的高次谐波成分出现由二次谐波向三次谐波转移的现象，气动力非线性成分受扭转运动的影响变化更敏感。在基础扭转运动中加入竖向运动后，存在气动力非线性成分较单自由度状态下明显减小的现象，弯扭耦合运动状态下自激力气动力并不遵从简单的叠加原则，其存在复杂相互作用的影响。
作者：	鲁浩扬
专业：	土木工程
导师：	贾杰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东北林业大学
学位年度：	2022