山区桥址风场数值模拟与桥梁风致响应分析

摘要

近年来，西部山区的交通基础设施建设越来越多。跨越深沟峡谷的线路常常采用高墩大跨连续刚构桥。高墩桥梁通常距水面或谷底较高，桥梁结构的刚度都相对较柔，对风的作用比较敏感。另外，在峡谷间风易形成山谷风效应和狭管效应，风速较大。在峡谷桥梁施工期风致响应较大,强风中的紊流风可能引起桥梁结构安全问题，影响施工质量以及危及施工机械和人员的安全等问题,甚至引发桥毁事故。 为了进一步研究桥址处峡谷地形风致响应，保证山区高墩大跨刚构桥的施工安全，对峡谷内高墩悬臂刚构桥在施工期的风荷载响应情况进行如下研究： 1. 基于计算流体力学理论，根据太行山高速西阜保定段胭脂河桥址处的高程数据，导入Gambit前处理软件，对地形图进行模拟，建立桥址峡谷三维数值模型。 2. 通过现场实测风场，得到风速时程曲线、平均风速及阵风系数等参数，以此分别对数值模型的不同计算域范围、风摩阻系数等参数下模拟的计算结果做对比，修正数值计算模型。 3. 利用Fluent软件计算胭脂河桥址峡谷区域风场中桥梁各截面位置处的风压、风速及三分力系数等风场特征，通过云图分析得到风流场分布情况。 4. 以西阜高速胭脂河大桥工程实例为依托，利用主流桥梁力学分析软件Midas Civil研究波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥施工阶段最大双悬臂状态在风荷载作用下的风致响应。

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第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3研究目的和意义

1.4技术路线

1.5本论文的主要工作

第2章 研究方法与理论

2.1平均风

2.1.1两个基本假设

2.1.2基本风速

2.1.3风向与风攻角

2.2脉动风

2.2.1阵风系数与阵风因子

2.2.2湍流强度

2.3 CFD数值模拟理论

2.3.1有限体积法

2.3.2湍流模型

2.3.3计算流体力学的求解过程

2.4桥梁风致响应理论

2.4.1抖振理论

2.4.2风对桥梁作用的分析方法

2.5本章小结

第3章 有限元建模

3.1 地形曲面生成

3.1.1 Globalmapper处理地形

3.1.2 Imageware逆向生成曲面

3.2 数值模型的建立

3.2.1 工程概况

3.2.2 gambit简介

3.2.3 几何模型的建立

3.2.4 构造计算域

3.2.5 网格划分

3.2.6 边界条件设置

3.3 现场实测

3.3.1 风测仪器

3.3.2 实测方案

3.3.3实测结果

3.4 本章小结

4.1 数值模型修正

4.1.1 顺风向计算域变化对风速的影响

4.1.2 横风向计算域变化对风速的影响

4.1.3 高度方向计算域变化对风速的影响

4.1.4 摩擦系数的取值

4.2 施工期峡谷风计算与分析

4.2.1 计算条件

4.2.2 1#块悬臂状态桥址地形风计算

4.2.3 5#块悬臂状态桥址地形风计算

4.2.4 最大悬臂状态桥址地形风计算

4.3 风荷载分布

4.3.1 主梁计算区域划分

4.3.2 风压三分力计算与分析

4.3.3 四主墩顺桥弯矩计算分析

4.4 静力三分力系数

4.5 本章小结

第5章 有限元模型与风致响应分析

5.1 风压时程的获取

5.1.1 测点布设

5.1.2 风压时程曲线的获得与修正

5.2 Midas建模

5.2.1 Midas Civil建主梁模型

5.2.2 加载计算

5.3 动力特性分析

5.4 静力风荷载分析

5.5 动力风荷载时域分析

5.5.1 抖振时程结果

5.5.2 结果分析

5.6 本章小结

结论

展望

致谢

参考文献