大跨度桥梁主梁涡激振动展向效应试验研究

摘要

大跨度桥梁主梁具有质量相对较轻、自振频率小、阻尼低等特点，在运营阶段常遇风速下易发生涡激共振现象，从而引起行车舒适性和桥梁结构疲劳等问题。由于实际主梁结构具有三维特性，且受实际风场及结构自身振型等影响，主梁涡激力沿桥轴线方向（即展向）并非完全相关，桥梁主梁结构涡振振动展向相关性问题是桥梁结构涡激振动研究的一个重要课题。论文受国家自然科学基金项目“大跨度主梁结构涡激力展向相关性试验研究(编号:51178181)”资助，以广东江顺大桥为工程依托，对大跨度桥梁主梁涡激振动的展向效应进行研究。本文主要研究工作如下:
　　(1)简要介绍了大跨桥梁涡激振动典型案例及控制措施，并对桥梁主梁结构涡激振动研究现状进行了综述，最后给出本文的研究内容和研究技术路线。
　　(2)设计并制作了几何缩尺比为1∶80的江顺大桥主梁节段模型，进行了同步测振、测压主梁节段模型风洞试验，获得了桥梁主梁结构在不同风攻角下的涡振锁定区间，并对涡激力展向相关性及涡激力气动参数识别进行了研究。结果表明，主梁断面涡激力展向相关系数在涡振状态大于静止状态，涡激力展向相关系数变化主要受自激力和强迫力的影响。
　　(3)采用滑移网格与动网格相结合的方法对宽高比为5的矩形断面和闭口流线型箱梁断面分别进行了涡激振动CFD数值模拟，并对主梁涡激振动机理进行了初步探讨。在此基础上建立了桥梁主梁断面涡激力气动参数识别的CFD数值方法，并与基于模型试验数据的识别结果进行比较，验证了该方法的可行性。
　　(4)设计并制作了几何缩尺比为1∶80的江顺大桥主梁拉条模型，采用同步测振、测压方法在低紊流度风场中进行了风洞试验研究，并与节段模型试验结果进行了比较。结果表明，在主梁断面涡振锁定区主梁结构涡激力展向相关性主要受振型影响。
　　(5)基于Scanlan经验线性模型初步建立了桥梁主梁结构涡激振动有限元方法，对大跨度桥梁主梁节段模型和拉条模型分别进行涡振响应二维、三维瞬态有限元时程计算。计算结果表明:有限元模型计算结果和试验结果总体吻合较好。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 桥梁涡激振动典型案例及控制措施

1．2 结构涡激振动的研究概述

1．2．1 研究方法

1．2．2 涡振的影响因素

1．2．3 涡振气动力展向相关性的现状研究

1．2．4 涡振计算方法研究

1．3 本文的研究内容

1．3．1 研究背景及意义

1．3．2 主要内容

第2章 主梁节段模型涡激振动试验研究

2．1 节段模型涡激振动试验

2．1．1 工程简介

2．1．2 试验模型及工况

2．2 涡振响应结果

2．2．1 竖向涡振响应

2．2．2 扭转涡振响应

2．3 主梁节段模型气动力展向相关性研究

2．3．1 展向相关性系数

2．3．2 节段模型涡振状态气动力展向相关性

2．3．3 节段模型静止状态气动力展向相关性

2．3．4 节段模型表面压力分布

2．4 涡激力气动参数识别

2．4．1 经验线性模型

2．4．2 经验非线性模型

2．5 本章小结

第3章 主梁断面涡振数值模拟及参数识别

3．1 数值计算理论与方法

3．1．1 CFD理论概述

3．1．2 本文计算方法

3．2 矩形主梁断面涡激振动数值模拟

3．2．1 矩形断面计算参数

3．2．2 矩形断面静止绕流结果

3．2．3 矩形断面涡振响应结果及机理分析

3．3 江顺大桥主梁断面涡振二维数值模拟

3．3．1 主梁断面计算参数及网格划分

3．3．2 主梁断面静止绕流结果

3．3．3 主梁断面涡振响应结果

3．4 基于数值模拟方法的涡激力气动参数识别

3．4．1 气动参数识别方法

3．4．2 矩形主梁断面气动参数识别结果

3．4．3 江顺大桥主梁断面气动参数识别结果

3．5 本章小节

第4章 主梁拉条模型涡激振动试验研究

4．1 拉条模型涡激振动试验

4．1．1 模型设计原理

4．1．2 拉条模型的制作

4．1．3 模型参数及试验工况

4．2 低紊流场涡振响应结果

4．2．1 拉条模型涡振响应结果

4．2．2 归一化振型函数换算

4．3 拉条模型气动力展向相关性研究

4．3．1 一阶涡振状态气动力展向相关性

4．3．2 二阶涡振状态气动力展向相关性

4．3．3 三阶涡振状态气动力展向相关性

4．3．4 静止状态气动力展向相关性

4．4 本章小结

第5章 基于Scanlan经验线性模型的涡振响应计算

5．1 计算方法

5．2 节段模型涡振响应计算

5．3 拉条模型涡振响应计算初涉

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文