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原文传递大跨桥梁桥塔和吊索钝体群气动干扰效应数值分析

论文题名：	大跨桥梁桥塔和吊索钝体群气动干扰效应数值分析
关键词：	钝体群;三分力系数;气动干扰效应;数值模拟;计算流体动力学;悬索桥;骑跨式吊索
摘要：	随着经济社会的迅速发展,大跨度桥梁越来越多,其施工和运营中的抗风问题非常突出。桥塔或吊索是大跨度悬索桥、斜拉桥和拱桥的重要组成部分,桥塔和吊索等钝体存在气动干扰效应,且气动干扰效应对会桥塔和吊索的风振性能产生重要影响。分别针对悬索桥桥塔不同断面形式的气动性能优劣问题,改扩建过程中并列桥塔之间驰振的气动干扰问题,以及气动干扰效应会对悬索桥骑跨式吊索四根索股的疲劳性能产生重大影响等问题,采用数值风洞试验的方法,结合东海某大跨度悬索桥的实际情况,对不同塔柱断面三分力系数、驰振和骑跨式吊索的气动干扰效应进行了研究。主要内容和成果如下: 　　 1.基于有限体积法和SIMPLE算法,针对矩形断面、倒直角断面、倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面等四种断面的单个和多个钝体,对均匀黏性定常流体的雷诺数在超临界区域的绕流流动进行计算流体动力学(CFD)数值模拟。计算其在不同风攻角、不同倒角尺寸和不同柱体间距情况下的三分力系数,并分析其在不同情况下的气动力系数的变化规律。计算结果表明对单个钝体而言,各断面在不同风攻角情况下的阻力系数、升力系数和扭矩系数整体上依照矩形断面、倒直角断面、倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面的顺序依次减小,而倒直角断面、倒内凹圆弧断面和倒外凸圆弧断面随着倒角尺寸的增大,阻力系数、升力系数和扭矩系数呈减小的趋势;对两个钝体而言,由于气动干扰效应,下游钝体无论是在变化趋势上还是在数值大小上和上游钝体相比都发生了较大的变化。　　 2.受钝体相互间的气动干扰效应影响,随着串列钝体个数的不同和断面的不同,钝体的驰振性能会发生较大变化,采用CFD数值分析的方法,结合建成的东海某大跨度悬索桥,研究了四个塔柱在四种断面情况下的驰振气动干扰效应,又与两个塔柱和单个塔柱在同样四种断面的驰振气动干扰效应进行了比较分析。结果表明:双塔柱矩形断面在双塔柱倒直角断面桥塔上游时,可能发生驰振;双塔柱倒外凸圆弧断面在双塔柱倒直角断面下游时,可能发生驰振;在两个塔柱时,下游塔柱主要在0°度风攻角附近可能发生驰振,并且距离越近发生驰振的可能性越大:在四个塔柱时,由于气动干扰效应的存在,第四个塔柱不易发生驰振,在矩形断面和倒外凸圆弧断面情况下,第二个和第三个塔柱可能发生驰振失稳。　　 3.针对悬索桥骑跨式吊索四根索股相距较近存在较强的气动干扰效应问题,参照东海某大跨度悬索桥的吊索参数,对骑跨式吊索四圆柱驰振气动干扰效应问题进行了数值研究,得到了四圆柱的阻力和升力系数及其气动力导数。然后,对在上游钝体尾流中的下游钝体的稳定性进行了分析。结果表明:顺风向上游钝体在风攻角-8°～6°范围内处于不稳定状态,顺风向下游钝体-6°～0°和4°～6°范围内处于不稳定状态,处于此不稳定区域内的钝体将会发生驰振,为悬索桥骑跨式吊索风振疲劳性能分析提供了理论基础。
作者：	路毓
专业：	结构工程
导师：	王东炜;李胜利
授予学位：	硕士
授予学位单位：	郑州大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文