钢-砼组合边主梁气动稳定性及抑振措施研究

摘要

近三十年间，我国已经成为桥梁建设最多的国家。其中，钢-砼组合边主梁断面在大跨度斜拉桥中有着广泛的应用，并逐渐应用于悬索桥上。此类组合断面具有施工方便，建设周期短，受力合理，综合效益高等优点，然而研究表明采用该类截面的桥梁颤振临界风速较低，并且容易发生明显的涡激振动。在应用于风速普遍较高的沿海地区的桥梁时，这类断面常常无法达到设计要求，因此需要采用合适的抑振措施来改善气动性能。抑振措施主要为气动措施和结构措施，气动措施通过改变桥梁断面绕流形态来达到抑振效果，因构造简单，经济实用等优点而常在设计中采用。但不同的断面形状的主梁气动性能不相同，采用的气动措施也往往不同，目前气动措施种类较多，有导流板、抑流板、风嘴、稳定板等形式，设计中常通过风洞模型试验来选取理想的气动措施。但对于该断面的气动稳定性及适用的气动措施尚缺乏系统性研究，不断尝试寻找合适气动措施需要耗费较多的时间。因此针对钢-砼组合边主梁断面气动稳定性及气动抑振措施进行系统性研究具有重要意义和工程价值。本文通过节段模型风洞试验和数值模拟相结合，比较研究边主梁高宽比、边主梁形式及气动措施对主梁气动稳定性影响，主要研究内容有:
　　1、详细综述了桥梁涡激振动及颤振的病害实例、研究方法、影响因素及抑振措施。列举了近二十年来大跨度钢-砼组合边主梁斜拉桥和悬索桥及采用对应的抑振措施。
　　2、边主梁截面高宽比与边主梁形式对气动稳定性的影响研究。综合多座实际桥梁设计方案的截面形式，拟定三种宽高比的工字型和箱型边主梁，分别对其进行节段模型风洞试验，测试其涡振响应和颤振临界风速。
　　3、探究不同抗风措施对不同高宽比边主梁断面的抑振效果。基于不同高宽比边主梁断面，在均匀流场下分别进行附加风嘴、稳定板、导流板的风洞试验，测试并分析这些措施的抑振效果。
　　4、运用fluent软件对边主梁断面进行静止绕流和涡激振动的数值模拟，得到其对应的St数、涡脱频率等相关参数.并且通过模拟得到的涡量图对涡振发生进行了一定解释。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 斜拉桥发展概述

1．2 悬索桥发展概述

1．3 组合边主梁斜拉桥的发展

1．4 组合边主梁悬索桥的发展

1．5 桥梁风致振动

1．6 桥梁风致振动实例

1．7 本文的研究背景和意义

1．8 本文的研究内容

第2章 桥梁涡振理论及控制方法研究

2．1 概述

2．2 涡振的研究方法

2．2．1 理论分析

2．2．2 现场实测

2．2．3 风洞试验

2．2．4 数值风洞

2．3 涡振的影响因素

2．3．1 结构的气动外形

2．3．2 紊流强度

2．3．3 雷诺数Re

2．3．4 Scruton数

2．3．5 来流攻角

2．4 涡振的特性

2．4．1 锁定现象

2．4．2 振型独立

2．4．3 展现相关性

2．5 风致振动的抑振措施

2．5．1 结构措施

2．5．2 机械措施

2．5．3 气动措施

2．6 本章小结

第3章 不同高宽比边主梁的气动性能

3．1 断面高宽比气动性能相关研究

3．2 典型组合边主梁桥梁工程

3．2．1 典型组合边主梁断面参数

3．3 组合边主梁节段模型试验

3．3．1 节段模型设计

3．3．2 节段模型制作

3．3．3 节段模型变高度的实现

3．3．4 节段模型试验方法

3．3．5 节段模型扭转质量测试

3．4 节段模型风洞试验结果

3．4．1 肋板式模型试验结果

3．4．2 分离箱式模型试验结果

3．5 本章小结

第4章 不同高宽比边主梁气动措施研究

4．1 倒“L”导流板气动措研究

4．1．1 倒“L”形导流板试验工况

4．1．2 倒“L”形导流板试验结果及分析

4．2 风嘴气动措施

4．2．1 风嘴试验工况

4．2．2 风嘴试验结果及分析

4．3 稳定板气动措施

4．3．1 稳定板板试验工况

4．3．2 稳定板试验结果及分析

4．4 本章小结

第5章 边主梁数值模拟与气动参数识别

5．1 流体计算控制方程

5．1．1 质量守恒方程

5．1．2 动量守恒方程

5．1．3 能量守恒方程

5．2 静态绕流数值模拟

5．2．1 涡振数值计算研究现状

5．2．2 计算断面及区域设置

5．2．3 网格划分

5．3 数值模拟结果及分析

5．4 涡激力气动参数识别

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢