大跨度悬索桥颤振特性风洞试验研究与数值模拟

摘要

现代大跨度悬索桥正朝着超大跨度、极度轻柔的方向发展，风致振动问题显得越来越突出。本文依托国家自然科学基金面上项目，以大跨度悬索桥——寸滩长江大桥为工程背景，采用风洞试验和CFD数值模拟两种研究方法对其颤振特性进行研究，研究工作包括颤振导数的识别以及颤振临界风速的求解。其中寸滩长江大桥的主梁又是少见的宽高比为12的宽体式扁平钢箱梁，通过研究总结部分宽体式扁平钢箱梁的颤振特性发展规律，为今后类似的实际工程和相关研究工作提供参照。具体的研究工作包括以下内容：
　　（1）首先是基础理论推导，包括颤振导数基本理论和计算流体动力学（CFD）基础理论，分析得到理想平板颤振导数的Theodorsen理论解，以及颤振导数的自由振动和强迫振动两种识别方法，同时说明本文所采用的FLUENT软件数值模拟计算过程以及计算模型和计算参数的选取，并推导颤振临界风速的计算方法；
　　（2）采用FLUENT软件应用计算流体动力学的方法首先对理想平板的颤振导数进行数值计算，编制UDF程序利用动网格原理，获得竖向和扭转运动的气动力时程数据，编制MATLAB程序根据最小二乘法原理识别得到8个颤振导数，并与理想平板的Theodorsen理论解进行对比，验证数值计算程序的可行性；
　　（3）对主梁节段模型的参数进行设计并制作风洞试验模型，在边界层风洞中进行颤振性能试验，直接对施工态和成桥态的颤振临界风速进行测定，同时采用自由振动法识别颤振导数，通过采集竖向和扭转的位移时程数据，并编制MATLAB程序根据最小二乘法原理识别主梁断面两个自由度方向的8个颤振导数；
　　（4）同时采用FLUENT软件对主梁节段模型的颤振导数进行数值计算，分析得到颤振导数的数值计算结果，并依据Scanlan颤振临界风速计算方法求解主梁断面的颤振临界风速值，同时以宽体式扁平钢箱梁断面为基础，通过改变气动外形来研究其附属结构、不同栏杆透风率以及导流板等对颤振性能的影响，最后将CFD数值模拟和风洞试验两种方法获得的颤振导数和临界风速计算结果进行对比；
　　（5）采用有限元软件ANSYS建立全桥三维模型，分别得到成桥状态和施工状态的动力特性，并根据计算结果对成桥状态和施工状态的颤振稳定性进行分析与评估，同时依据已有的颤振临界风速计算公式对无风攻角和有风攻角的颤振临界风速值进行估算，作为颤振稳定性验算的辅助参考指标。
　　论文的最后总结了宽体式扁平钢箱梁断面颤振特性的研究结论，并验证了寸滩长江大桥的颤振稳定性满足要求，为实际工程的应用提供了一定参考价值。

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主要符号

1 绪论

1.1引言

1.2桥梁抗风研究方法

1.3颤振特性研究的国内外现状

1.4论文的主要研究内容

2 颤振导数的基本理论

2.1颤振及颤振导数

2.2气动力的描述方程

2.3理想平板气动导数的理论解

2.4颤振导数的识别方法

2.5自由振动识别颤振导数理论

2.6强迫振动识别颤振导数理论

2.7颤振导数的数值计算

2.8颤振临界风速的计算方法

2.9本章小结

3 计算流体动力学基础

3.1流体动力学控制方程

3.2数值计算方法

3.3网格划分及边界条件

3.4湍流模型

3.5数值计算求解流程

3.6 FLUENT软件介绍

3.7本章小结

4 理想平板的颤振导数数值研究

4.1数值研究参数设计及颤振导数理论解

4.2流场网格绘制与边界条件设置

4.3数值模拟的计算步骤

4.4数值计算结果

4.5颤振导数的识别

4.6本章小结

5 主梁节段模型颤振性能风洞试验研究

5.1工程概况

5.2桥位风场特性计算分析

5.3节段模型参数设计

5.4动力节段模型系统

5.5颤振临界风速的测定

5.6颤振导数的识别

5.7本章小结

6 扁平钢箱梁的颤振性能数值研究

6.1数值模拟的设计参数

6.2流场网格绘制与边界条件设置

6.3数值计算结果

6.4颤振导数的识别

6.5颤振临界风速计算

6.6扁平钢箱梁气动外形对颤振性能的影响

6.7数值模拟结果与风洞试验结果对比

6.8本章小结

7 全桥三维模型的动力特性及颤振分析

7.1全桥三维模型的建立

7.2动力特性计算

7.3颤振稳定性分析

7.4颤振临界风速计算

7.5本章小结

8 主要结论与展望

8.1全文总结

8.2本文创新点

8.3今后研究展望

致谢

参考文献

附录