西部地區(qū)大跨度拱橋抖振和渦激振動(dòng)研究

一、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容包括：1、建立重慶市某復(fù)雜山地地貌下的風(fēng)環(huán)境模型；2、研究拱橋的抖振與渦激振動(dòng)隨來(lái)流湍流強(qiáng)度、湍流積分尺度等的變化規(guī)律；3、研究幾種典型拱橋主梁斷面以及主拱圈在不同雷諾數(shù)下的抖振響應(yīng)和渦脫落規(guī)律,開(kāi)展大跨度拱橋的抖振和渦激振動(dòng)機(jī)理研究。二、意義：在西部大開(kāi)發(fā)的大好形勢(shì)下，西部地區(qū)建造了多座大型拱橋，另有許多大跨度拱橋正在興建或即將興建，繼重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋之后，重慶朝天門(mén)大橋、拉薩柳梧大橋和重慶大寧河大橋等特大跨度拱橋相繼動(dòng)工，拱橋已成為西部地區(qū)的主要橋型之一。對(duì)于這類(lèi)特大跨度拱橋，現(xiàn)行的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》和《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，沒(méi)有給出抗風(fēng)設(shè)計(jì)依據(jù)與措施，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的研究工作也不多。為確保該類(lèi)大橋的安全、可靠，需要對(duì)此進(jìn)行深入細(xì)致的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)研究，而該項(xiàng)課題的成果可以直接用來(lái)指導(dǎo)這類(lèi)橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。 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(chǎng)耦合，相互作用的復(fù)雜過(guò)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(cè)，以測(cè)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(wèn)題。對(duì)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(duì)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)

2020年5月6日凌晨，廣東省交通集團(tuán)通報(bào)稱(chēng)，專(zhuān)家組判斷，虎門(mén)大橋5日發(fā)生振動(dòng)系橋梁渦振現(xiàn)象，并認(rèn)為懸索橋結(jié)構(gòu)安全可靠，不會(huì)影響虎門(mén)大橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

截至2020年5月6日11時(shí)，渦振仍未停止。葛耀君解釋?zhuān)螠u振的成因與第一次渦振沒(méi)有直接的聯(lián)系，已經(jīng)安排儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)，專(zhuān)家組正在對(duì)二次渦振的成因進(jìn)行調(diào)查。

2020年5月11日，據(jù)中國(guó)交通報(bào)發(fā)布 ，據(jù)專(zhuān)家分析，水馬是虎門(mén)大橋渦振誘因，虎門(mén)大橋結(jié)構(gòu)安全，相關(guān)抑振措施正在研究實(shí)施中。 2100433B

對(duì)于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，這種交替發(fā)放的瀉渦又會(huì)在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力。如果此時(shí)柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動(dòng)流體力將引發(fā)柱體(管體)的周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的柱狀體振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體一結(jié)構(gòu)物相互作用的問(wèn)題被稱(chēng)作“渦激振動(dòng)”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在處理渦激振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力系統(tǒng)加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個(gè)問(wèn)題的重要關(guān)鍵。在渦激振動(dòng)過(guò)程中，流體的動(dòng)壓力是一種作用于彈性系統(tǒng)的外加載荷，動(dòng)壓力的大小取決于彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度;另一方面，流體動(dòng)壓力的作用又會(huì)改變彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質(zhì)表現(xiàn)為流體對(duì)于彈性系統(tǒng)在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現(xiàn)象。

由慣性耦合產(chǎn)生附連質(zhì)量，在有流速場(chǎng)存在的條件下，由阻尼耦合產(chǎn)生附連阻尼，由彈性耦合產(chǎn)生附連剛度。流體的附連質(zhì)量、阻尼和剛度取決于流場(chǎng)的流動(dòng)特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統(tǒng)的特性，其關(guān)系式相當(dāng)復(fù)雜。用實(shí)驗(yàn)或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問(wèn)題研究中的重要課題。

實(shí)驗(yàn)證明，漩渦的發(fā)放頻率f可用無(wú)量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number）來(lái)表示，表達(dá)式為：

f=St*V/D

St是構(gòu)件剖面形狀與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，其定義式為St=D/（V*T）。

其中：V為垂直于構(gòu)件軸線的速度（m/s）；

D為圓柱直徑或柱體的其他特征長(zhǎng)度（m）；

T為相關(guān)的特征時(shí)間（s）。