大跨度桥梁单箱梁静风荷载的自吸吹气流动控制研究

摘要

十九世纪以来，世界上主要的发达国家就开始进行大型桥梁的建设。限于技术的缺陷，有很多桥梁毁于强风之中，其中比较有名的是美国的Tacoma Narrows桥，在强风中遭到摧毁，事故的主要原因为颤振。后来随着大跨度桥梁主梁设计以及施工技术水平的提升，当代桥梁将跨度逐渐提升到了一个前所未有的高水平。根据已有的研究成果发现，随着桥梁主梁的跨度越大，主梁的刚度会越小，结构阻尼也会随之降低。大跨度桥梁结构的风效应，尤其是主梁的风效应是大跨度桥梁目前最突出的动力效应之一，如何减小风荷载以及风荷载导致的风效应，是目前研究设计人员最为关心的一个问题。因此，深入研究超大跨度桥的主梁结构的风效应，提出有效应对主梁风效应的控制方法，对保障大跨度桥的主梁结构的抗风安全性以及可靠性具有重要的意义。
　　本文主要进行了如下研究:
　　(1)被动自吸吹气流动控制的方法应用于桥梁主梁流动控制。通过测力，测压和PIV试验得到了桥梁主梁截面自吸吹气孔布置数量的最佳方式，发现其对气动力系数的脉动值具有较好的抑制作用。通过尾流线性稳定性分析，发现其可以使得靠近尾部附近的流场变得更稳定。
　　(2)为了便予工程应用，在得到桥梁截面吸吹气孔的最优布置方式之后，继续研究自吸吹气孔展向布置间距对桥梁主梁气动力的控制作用，得到了吸吹气孔展向间距的最优值。首先通过测力试验，研究发现，被动自吸吹气孔间距越小，其对气动力的控制效果越明显。通过PIV试验，发现其改变了漩涡脱落的模式。
　　(3)研究了在桥梁主梁前滞点处布置吸气孔和在后滞点设置吹气孔对桥梁主梁周围流场的控制作用。我们发现气动力脉动值的降低，越靠近尾流区的表明压力脉动值降低的更显著，模型尾流中的湍动能值得到了显著的降低，漩涡的脱落模式改变。通过稳定性分析，发现其可以使得靠近尾部附近的流场变得更稳定。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景、目的与意义

1．2 桥梁风致振动

1．2．1 涡激振动

1．2．2 颤振

1．3 桥梁风振流动控制的国内外研究现状

1．3．1 桥梁风振流动控制主动控制方法的研究现状

1．3．2 桥梁风振流动控制被动控制方法研究现状

1．4 本文主要研究内容与技术路线

1．4．1 单箱梁自吸吹气流动控制研究

2 大跨度桥梁主梁静风荷载的自吸吹气流动控制研究

2．1 引言

2．2．1 风洞试验介绍

2．2．2 测力试验概述

2．2．3 试验模型及试验工况

2．3 测压试验介绍

2．4 大跨度桥梁被动自吸吹气流动控制测力试验

2．4．1 气动力系数

2．4．2 大跨度桥梁主梁截面吸吹气孔数量对气动力的影响

2．4．3 大跨度桥梁主梁吸吹气沿展向间距对气动力的影响

2．4．4 大跨度桥梁主梁滞点处布置吸吹气孔对气动力的影响

2．5 大跨度桥梁被动自吸吹气流动控制测压试验

2．5．1 大跨度桥梁主梁截面吸吹气孔数量对压力特性的影响

2．5．2 大跨度桥梁主梁吸吹气沿展向间距对压力特性的影响

2．5．3 大跨度桥梁主梁滞点处吸吹气孔沿展向间距对压力特性的影响

2．6 本章小结

3 大跨度桥梁主梁流动控制的绕流场特征研究

3．1 引言

3．2．1 PIV技术介绍

3．2．2 PIV技术原理

3．2．3 PIV系统组件

3．3 大跨度桥梁被动自吸吹气流动控制的流场特性试验

3．3．1 大跨度桥梁主梁截面吸吹气孔数量对流场特性的影响

3．3．2 大跨度桥梁主梁吸吹气沿展向间距对流场特性的影响

3．3．3 大跨度桥梁主梁滞点处吸吹气孔沿展向间距对流场特性的影响

3．4 本章小结

4 大跨度桥梁主梁流动控制的尾流稳定性分析

4．1 引言

4．2．2 Orr-Sommerfeld方程求解

4．3 大跨度桥梁被动自吸吹气流动控制的尾流稳定性分析

4．3．1 大跨度桥梁主梁截面吸吹气孔数量对流场影响的稳定性分析

4．3．2 大跨度桥梁主梁吸吹气沿展向间距对流场影响的稳定性分析

4．3．3 大跨度桥梁主梁滞点处吸吹气孔沿展向间距对流场影响的稳定性分析

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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