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随着悬索桥跨度的增加,结构呈现出刚度小、阻尼低的特点,风振问题变得突出。分离式双箱截面作为悬索桥的常用截面之一,其优点是在高风速条件下能有效提高桥梁的颤振性能。但是,由于中央开槽的存在,截面的绕流场变得十分复杂,容易使得桥梁在特定风速条件下的涡激振动性能恶化。本文基于计算流体力学软件Fluent,以某大跨度悬索桥为工程依托,进行了如下研究工作:
1.为了研究分离式双箱梁断面三分力系数的参数敏感性,首先通过CFD建立了分离式双箱梁断面的二维流场模型,计算提取了截面在静风作用下的三分力系数,基本确定了数值模拟计算结果的准确性。对三分力系数的雷诺数效应和与结构设计参数之间的关系进行了研究,得出了三分力系数随雷诺数与结构设计参数的变化规律。主要结论有:
(1)低雷诺数条件下,三分力系数更易受雷诺数变化的影响。阻力系数相比升力系数和力矩系数对雷诺数更加敏感,需优先考虑;
(2)截面阻力系数和升力系数随截面开槽率的增大有增大的趋势,截面开槽率对力矩系数影响不明显;
(3)H/B≈0.3时截面的阻力系数基本处于最小值,升力系数随H/B的增大而减小,力矩系数变化规律与升力相反;
(4)减小风嘴的角度可以减小截面的阻力系数和升力系数绝对值。
2.基于Newmark-β法,对分离式双箱截面悬索桥进行了主梁涡激振动数值模拟,计算分析了特定风速条件下截面的涡激振动响应,探讨了截面涡激振动振幅与风速、攻角的关系,分析了分离式双箱截面发生涡激振动的机理。主要结论有:
(1)计算截面在0°攻角条件下没有发生涡激振动,在±3°、±5°攻角条件下,风速为7.0m/s、10.5m/s时均发生了明显的涡激振动;
(2)根据涡量云图,发生涡激振动的截面在中央开槽处和下游截面上下缘均出现了漩涡的交替脱落,对截面产生交替作用的力,从而导致了截面涡激振动的发生。
3.为研究竖向、横向稳定板对分离式双箱梁悬索桥涡激振动的控制,基于Newmark-β法,对各个风速条件下,六种带有不同稳定板的分离式双箱截面进行了涡激振动计算分析。通过与原型截面涡激振动计算结果的比较,分析了制振措施对涡激振动的控制效果,得出了较优的布置方案。对稳定板实现涡激振动控制的制振机理进行了研究。主要结论有:
(1)在带有竖向稳定板的三种截面中,稳定板高度相对最小的截面对涡激振动具有最好的控制效果,在所有工况中均没有出现明显的涡激振动;
(2)在带有横向稳定板的三种截面中,上下侧均布置稳定板的截面对涡激振动具有最好的控制效果,在所有工况中均没有出现明显的涡激振动;
(3)合理的气动措施能够有效限制了涡团的产生,避免桥梁结构随时间发生周期性振动,大幅度降低作用在截面上升力的幅值。
4.基于计算流体力学和Newmark-β法,研究了截面中央开槽处的内侧风嘴构造对截面涡激振动的控制效果。通过对六种不同的内侧风嘴进行涡激振动计算分析,比较得出了在各个条件下,涡激振动控制效果较好的内侧风嘴布置方案,分析了实现涡激振动控制的制振机理。主要结论有:
(1)涡激振动对截面内侧风嘴的位置和角度十分敏感,根据风嘴角度的不同,风嘴对涡激振动的控制效果有很大的差异;
(2)风嘴角度最小的两种截面对涡激振动的控制效果最优,仅在部分工况下出现了轻微的涡激振动,振动振幅减小了90%以上;
(3)合理的内侧风嘴可以有效地改善分离式双箱截面的扰流特性,避免低风速下主梁断面随时间发生周期性交替脱落的涡团,从而抑制分离式双箱截面的涡激振动。
1.为了研究分离式双箱梁断面三分力系数的参数敏感性,首先通过CFD建立了分离式双箱梁断面的二维流场模型,计算提取了截面在静风作用下的三分力系数,基本确定了数值模拟计算结果的准确性。对三分力系数的雷诺数效应和与结构设计参数之间的关系进行了研究,得出了三分力系数随雷诺数与结构设计参数的变化规律。主要结论有:
(1)低雷诺数条件下,三分力系数更易受雷诺数变化的影响。阻力系数相比升力系数和力矩系数对雷诺数更加敏感,需优先考虑;
(2)截面阻力系数和升力系数随截面开槽率的增大有增大的趋势,截面开槽率对力矩系数影响不明显;
(3)H/B≈0.3时截面的阻力系数基本处于最小值,升力系数随H/B的增大而减小,力矩系数变化规律与升力相反;
(4)减小风嘴的角度可以减小截面的阻力系数和升力系数绝对值。
2.基于Newmark-β法,对分离式双箱截面悬索桥进行了主梁涡激振动数值模拟,计算分析了特定风速条件下截面的涡激振动响应,探讨了截面涡激振动振幅与风速、攻角的关系,分析了分离式双箱截面发生涡激振动的机理。主要结论有:
(1)计算截面在0°攻角条件下没有发生涡激振动,在±3°、±5°攻角条件下,风速为7.0m/s、10.5m/s时均发生了明显的涡激振动;
(2)根据涡量云图,发生涡激振动的截面在中央开槽处和下游截面上下缘均出现了漩涡的交替脱落,对截面产生交替作用的力,从而导致了截面涡激振动的发生。
3.为研究竖向、横向稳定板对分离式双箱梁悬索桥涡激振动的控制,基于Newmark-β法,对各个风速条件下,六种带有不同稳定板的分离式双箱截面进行了涡激振动计算分析。通过与原型截面涡激振动计算结果的比较,分析了制振措施对涡激振动的控制效果,得出了较优的布置方案。对稳定板实现涡激振动控制的制振机理进行了研究。主要结论有:
(1)在带有竖向稳定板的三种截面中,稳定板高度相对最小的截面对涡激振动具有最好的控制效果,在所有工况中均没有出现明显的涡激振动;
(2)在带有横向稳定板的三种截面中,上下侧均布置稳定板的截面对涡激振动具有最好的控制效果,在所有工况中均没有出现明显的涡激振动;
(3)合理的气动措施能够有效限制了涡团的产生,避免桥梁结构随时间发生周期性振动,大幅度降低作用在截面上升力的幅值。
4.基于计算流体力学和Newmark-β法,研究了截面中央开槽处的内侧风嘴构造对截面涡激振动的控制效果。通过对六种不同的内侧风嘴进行涡激振动计算分析,比较得出了在各个条件下,涡激振动控制效果较好的内侧风嘴布置方案,分析了实现涡激振动控制的制振机理。主要结论有:
(1)涡激振动对截面内侧风嘴的位置和角度十分敏感,根据风嘴角度的不同,风嘴对涡激振动的控制效果有很大的差异;
(2)风嘴角度最小的两种截面对涡激振动的控制效果最优,仅在部分工况下出现了轻微的涡激振动,振动振幅减小了90%以上;
(3)合理的内侧风嘴可以有效地改善分离式双箱截面的扰流特性,避免低风速下主梁断面随时间发生周期性交替脱落的涡团,从而抑制分离式双箱截面的涡激振动。