大跨度橋梁主梁渦激振動(dòng)特性研究

對于實(shí)際大跨度橋梁主梁而言，渦激振動(dòng)屬于沿跨向的三維問題，除振型的影響外，渦激氣動(dòng)力沿跨向是非完全相關(guān)的(或稱其為偏相關(guān))?，F(xiàn)行的、基于模型風(fēng)洞試驗(yàn)或現(xiàn)場實(shí)測建立的渦激力半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蠖嗷诙S理論，極少考慮渦激氣動(dòng)力的偏相關(guān)，從而導(dǎo)致節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果直接拓展到全橋時(shí)存在較大誤差，進(jìn)而造成對橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的誤判。課題分別基于Scanlan渦激力經(jīng)驗(yàn)線性及非線性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在引入可能影響渦激力相關(guān)性參數(shù)的基礎(chǔ)上，在頻域內(nèi)研究了渦激力沿跨向的相關(guān)性。通過Fourier變換及Duhamel積分等數(shù)學(xué)原理得到二維力譜到三維廣義力譜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，定義了二維與原型橋梁渦振響應(yīng)之間的折減系數(shù)，給出了將節(jié)段模型渦振試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到原型橋梁的具體理論方法，并給出了渦激力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭写R別參數(shù)的修正方法。通過節(jié)段模型表面測壓試驗(yàn)研究了渦激力沿跨向的相關(guān)性，并擬合得到相關(guān)函數(shù)。最后，通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)、全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)以及現(xiàn)場實(shí)測資料很好地驗(yàn)證了本文的理論。 2100433B

現(xiàn)代大跨度橋梁跨度更大、結(jié)構(gòu)更輕柔、自振頻率較低，在低風(fēng)速下主梁易發(fā)生渦激共振現(xiàn)象。它是一種帶有自激性質(zhì)的風(fēng)致限幅振動(dòng)，盡管不象顫振、弛振那樣具有發(fā)散性質(zhì)，但由于其起振風(fēng)速低、發(fā)生頻度大，且某些特定情況下的振幅之大足以影響行車安全，因而在施工及運(yùn)營階段避免渦激共振或限制其振幅在可接受的范圍之內(nèi)具有十分重要的意義。.經(jīng)驗(yàn)非線性模型已被證明是描述主梁節(jié)段（二維）渦激共振現(xiàn)象的有效途徑。本課題擬選取有代表性2-3座大跨度橋梁的主梁作為研究對象，通過常規(guī)和大尺度節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，探討經(jīng)驗(yàn)非線性模型中未知參數(shù)的時(shí)域識別方法；通過全橋氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)，研究主梁沿跨向渦激氣動(dòng)力相關(guān)性，建立描述渦激氣動(dòng)力跨向相關(guān)的數(shù)學(xué)模型；利用以上研究成果，最終建立大跨度橋梁主梁渦激振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型和分析方法。

我國大跨度鋼橋越來越多，研究與防止渦激振動(dòng)已成為我國大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。目前大跨度橋梁主梁結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)主要通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)檢驗(yàn)，而理論分析方法僅停留在二維模型階段，三維理論分析近乎空白，從而無法準(zhǔn)確預(yù)測渦振振幅。本項(xiàng)目從渦振具有三維空間特性的實(shí)際出發(fā)，重點(diǎn)研究展向間距、振型及紊流度對典型橋梁主梁斷面渦激力展向相關(guān)性的影響。結(jié)合二維渦激力模型建立相應(yīng)的氣動(dòng)參數(shù)識別方法；對閉口鈍體、流線型主梁斷面分別進(jìn)行節(jié)段模型渦激力氣動(dòng)參數(shù)識別和渦激力展向相關(guān)性研究；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)簡支主梁結(jié)構(gòu)氣彈模型，研究展向間距、振型對渦激力展向相關(guān)性和渦振振幅的影響；在低紊流度條件下，研究展向間距、振型及紊流度對渦激力展向相關(guān)性和渦振振幅的影響。將主梁結(jié)構(gòu)二維渦激力模型與渦激力展向相關(guān)性函數(shù)嵌入到結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動(dòng)響應(yīng)分析，并以一實(shí)際橋梁氣彈模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

大跨橋梁結(jié)構(gòu)具有頻率低、阻尼低等特點(diǎn)，主梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下易發(fā)生渦激振動(dòng)，如Kessock橋、第二塞文橋、Rio-Niteroi橋、東京灣大橋、大海帶東橋、伏爾加河大橋及西堠門大橋等均發(fā)生了渦激振動(dòng)，研究與防止橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)已成為大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。本課題重點(diǎn)開展了橋梁結(jié)構(gòu)二維渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識別方法、典型橋梁主梁斷面渦激力展向相關(guān)性試驗(yàn)研究以及大跨度橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動(dòng)響應(yīng)有限元分析方法研究。主要研究成果： （1）建立了主梁二維渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識別方法及程序 分別針對Scanlan經(jīng)驗(yàn)線性模型、經(jīng)驗(yàn)非線性模型以及Larsen廣義范德波振子模型進(jìn)行渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識別研究，編寫了渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識別程序。以閉口流線型主梁斷面節(jié)段模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了不同渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識別，根據(jù)識別結(jié)果對主梁節(jié)段模型進(jìn)行渦激振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果比較，從而驗(yàn)證了渦激力氣動(dòng)參數(shù)識別精度。 （2）研究了展向間距、振型對典型主梁斷面渦激力展向相關(guān)性的影響 首先進(jìn)行了矩形斷面主梁、閉口流線型斷面主梁節(jié)段模型渦激力展向相關(guān)性風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了展向間距對這兩類典型斷面渦激力展向相關(guān)性的影響，獲得了矩形斷面主梁、閉口流線型斷面主梁渦振鎖定區(qū)內(nèi)外渦激力展向相關(guān)系數(shù)變化規(guī)律。然后采用拉條模型試驗(yàn)進(jìn)行渦激力展向相關(guān)性試驗(yàn)研究，研究了展向間距、振型對渦激力展向相關(guān)性的影響。 （3）建立了橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動(dòng)響應(yīng)有限元分析方法 基于大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS，結(jié)合橋梁主梁結(jié)構(gòu)二維渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識別方法以及典型斷面主梁渦激力展向相關(guān)性研究成果，暫不考慮展向間距對渦激力展向相關(guān)性影響，僅考慮振型的影響，建立了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)三維渦振響應(yīng)有限元分析方法，并以矩形斷面拉條模型試驗(yàn)為例進(jìn)行了驗(yàn)證。 本課題研究成果對于大跨橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算具有重要的參考意義。 2100433B

主要的研究方法有三種：

實(shí)驗(yàn)方法

瀉渦脫落引發(fā)的渦激振動(dòng)是一個(gè)多物理場耦合，相互作用的復(fù)雜過程。需要具有一套完整物理實(shí)驗(yàn)方案和精密的實(shí)驗(yàn)儀器可以把所有的渦激振動(dòng)相關(guān)機(jī)型同步觀測，以測定其聯(lián)合效應(yīng)。物理實(shí)驗(yàn)往往很難同時(shí)提供流體的瞬時(shí)變化數(shù)據(jù)。

數(shù)值方法

振動(dòng)問題。對于數(shù)值模擬方法，按照所使用湍流模型的不同，可以將渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬方法分為:直接數(shù)值模擬方法，雷諾平均N-S方程法，大渦模擬法，渦元法，還有基于上述各種方法的綜合。按照模擬方式的不同又可以分為基于彈性支撐的剛體二維模擬，基于彈性體二維渦元模擬和三維結(jié)構(gòu)插值積分的離散渦元法模擬，以及對于彈性體完全使用三維模型的全流域模擬等等

半經(jīng)驗(yàn)公式

半經(jīng)驗(yàn)公式主要有尾流陣子，單自由度模型，流體力組分模型。

流固耦合數(shù)值計(jì)算軟件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)