大跨度公铁两用倒梯形断面钢桁梁气动力与抖振性能研究

摘要

随着桥梁施工技术的进步与相关计算理论的日趋成熟，大跨度桥梁越来越多地出现在交通线路工程中，由于公路与铁路桥面车道宽度设置不同，倒梯形桁梁桥因其特有断面特征，成为公铁两用桥的可选桥型之一。由于其结构杆件较多，结构形式复杂，其气动力性能也是桥梁抗风设计中不可忽视的重要因素。本文首先回顾了大跨度桁梁桥的发展历史，桁梁桥的气动力研究发展过程，指出了现有公铁两用倒梯形桁梁桥气动力与抖振性能研究对桥梁结构设计的重要意义。针对不同特征尺寸倒梯形桁梁桥，设计了多种风洞试验研究方案，并借助于计算流体力学软件，对倒梯形桁梁桥的气动导纳函数、斜向风对气动力参数的影响，桁架的遮挡效应以及气动力沿跨向相关性进行了深入研究。本文的主要研究内容主要有:
　　(1)基于非定常气动力荷载公式，结合气动导纳函数物理意义，推导了气动导纳函数定义表达式，采用三种不同特征尺寸倒梯形桁梁模型，进行尖塔紊流场中不同风速、不同风攻角下的刚性节段模型风洞试验，对气动导纳函数识别。对比了风速、风攻角对其影响，并针对试验得到的气动导纳函数进行公式拟合。
　　(2)采用自主设计的能同时考虑风偏角与风攻角影响的测力试验设备，选用两种不同特征尺寸的倒梯形桁梁模型，进行0～180°不同风偏角来风时，桁梁在-5°、-3°、0°、3°、5°风攻角下的气动力参数风洞试验，揭示其随风偏角与风攻角的分布规律，并将其与常规理论计算结果和规范值进行对比。得出横桥向来风时不是最不利来流风向，气动力参数随风偏角的变化规律受桁梁施工状态影响不大。
　　(3)对两榀桁架进行不同间距时的遮挡效应风洞试验，采用CFD计算软件对相同条件下来流时桁架的遮挡效应进行数值模拟。并通过改变桁架的实度比，间距比，来流风偏角、风攻角以及桥面板布置位置状态，对不同状态下的桁架遮挡效应进行对比分析。采用上述同样工况，模拟计算三榀桁架时的各对应工况下的遮挡效应。通过数值模拟计算得到的桁架周围流场图与速度分布云图解释说明了导致桁架在不同状态时产生遮挡效应差异的原因。
　　(4)通过采用双高频动态天平同步测力方法，对类平板、扁平钢箱梁、倒梯形断面桁梁模型进行气动力相关性分析风洞试验。采用两种不同风场特性的紊流风场用以生成脉动风。通过采集得到的不同间距处的各模型气动力时程与脉动风速时程，得到两者沿跨向相关性分布规律，对气动力相关性与脉动风相关进行对比分析，得出气动力沿跨向相关性要大于对应来流脉动相关性，同时钝体断面的相关性要小于流线型断面。
　　(5)利用虚拟激励法理论，结合桥梁抖振响应理论公式，推导了基于虚拟激励法的多维多点随机风作用下大跨度桥梁的抖振响应计算方法，此方法可考虑脉动风的非平稳性。将其与有限元软件结合，可方便应用于各类大跨度桥梁在随机风作用下的抖振计算分析。最后利用本文前面章节得到的倒梯形桁梁桥各气动力参数以及导纳函数和气动力沿跨向相干函数，计算得到论文工程实例桥梁在不同工况时设计风速下的抖振位移响应结果，并与全桥气弹模型风洞试验结果进行对比，分析不同计算参数对抖振响应结果的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 大跨度钢桁梁斜拉桥发展概况

1．2 桁梁桥抖振响应研究现状

1．3 气动导纳函数研究

1．4 斜向风作用下主梁气动参数研究

1．5 跨向相关性研究

1．6 论文主要研究内容

2．1 概述

2．2 作用在桥梁上的风荷载

2．2．1 静风力

2．2．2 气动自激力

2．2．3 抖振力

2．3 气动导纳函数识别

2．3．1 气动导纳函数概述

2．3．2 桁梁气动导纳函数识别理论

2．4 试验脉动紊流风特性

2．5 试验模型与测量设备

2．5．1 高频动态天平

2．5．2 倒梯形桁梁模型

2．6 气动导纳函数风洞试验

2．6．1 试验工况

2．6．2 气动导纳函数试验结果

2．6．3 气动导纳函数拟合

2．7 小结

3．1 概述

3．2 试验模型与装置

3．3 气动力系数与坐标系统定义

3．4 试验结果分析

3．5 斜向风作用理论分析对比

3．6 小结

4．1 概述

4．2 桁架测力风洞试验

4．3 桁架梁CFD模拟

4．3．1 SST k-ω湍流计算模型

4．3．2 模型数值计算域与网络生成

4．3．3 数值计算结果分析

4．4 小结

第5章 气动力空间相关性风洞试验

5．1 相关性理论

5．2 试验模型及设备

5．2．1 测力试验设备

5．2．2 测力试验模型

5．2．3 试验工况

5．3 紊流风场相关性

5．3．1 脉动风生成

5．3．2 脉动风特性

5．3．3 风速跨向相关性

5．4 类平板与箱梁气动力跨向相关性结果与分析

5．4．1 类平板模型相关性

5．4．2 箱梁模型相关性

5．5 小结

第6章 倒梯形桁梁气动力空间相关性研究

6．1 倒梯形桁梁模型气动力相关性

6．1．1 倒梯形桁梁抖振力测量

6．1．2 倒梯形桁梁抖振力功率谱

6．1．3 倒梯形桁梁气动力时域相关系数

6．1．4 倒梯形桁梁气动力跨向相干函数

6．2 跨向相干函数经验公式拟合

6．3 跨向相干函数拟合结果与分析

6．4 小结

第7章 基于虚拟激励法的桁梁桥随机抖振响应研究

7．1 概述

7．2 桥梁风振响应虚拟激励法原理

7．3 多点多维风振响应虚拟激励法

7．4 多点多维风振响应虚拟激励法有限元软件实现

7．5 大跨度斜拉桥工程实例分析

7．5．1 工程概况简介

7．5．2 有限元模型建立与计算参数

7．5．3 全桥气弹模型风洞试验

7．5．4 虚拟激励响应计算结果分析

7．6 小结

8．1 论文主要内容

8．2 论文主要创新点

8．3 论文结论

8．4 今后研究建议

致谢

参考文献

攻读博士学位论文期间发表的论文及专利

攻读博士学位论文期间从事的科研项目