斜腹板倾角对桥梁气动稳定性影响的数值模拟研究

摘要

自从1966年流线型箱梁被应用于英国的赛文桥以来，它就以较高的扭转刚度、优越的气动力特性和经济性而被桥梁设计者们广泛采用。我国近几十年来建造的大部分大跨度桥梁主梁都采用了流线型箱梁的形式。与传统的大跨度桁架桥梁类似，颤振稳定性仍是设计中要考虑的重要问题，而另一个挑战就是涡激振动，这也是箱梁断面的固有特性之一。　　从空气动力学的角度看，流线型箱梁截面仍属于钝体，会导致气流分离。箱梁的斜腹板的倾角越小，越趋近于平板，气动力特性就越好。然而过小的倾角会导致其他的问题，如一些附属构件和设备的安装。对南京四桥和其他一些大跨度流线型箱梁桥的风洞试验表明，颤振临界风速会在斜腹板倾角小于16°时明显提高。　　本文以南京四桥为工程背景，以1∶20的几何缩尺比构建计算模型。用数值模拟的方法研究了桥梁截面斜腹板倾角对气动稳定性的影响及其抑制涡激振动的机理。共研究了16种不同的倾角，分别为:12°～21°、23°、25°、35°、45°、75°和90°。本文研究的主要内容有:　　(1)用二维N-S方程和SSTk-ω湍流模型，采用定常算法进行三分力计算，研究不同倾角对三分力的影响。研究结果表明，倾角的改变对阻力和升力系数影响较大，而对扭矩系数影响不明显。且倾角越小，气动力特性越好。　　(2)用强迫振动法对颤振性能进行模拟计算，假设结构分别做纯竖向和纯扭转振动并记录升力和扭矩时程曲线，然后用最小二乘法拟合得到8个颤振导数。结果显示:当斜腹板倾角为17°时，颤振导数H1*和A2*出现最小值。颤振稳定性在倾角为17°时会大大提高。　　(3)用二维大涡模拟的方法进行涡激振动的分析，通过UDF编程实现结构与流体的耦合。结果表明:当斜腹板倾角小于17°时，会抑制斜腹板后方大尺度漩涡的产生，从而有效减小涡激共振的可能性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 桥梁风工程研究方法

1．3 桥梁风工程数值研究现状

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 本文的主要内容与思路

第二章 计算流体力学原理简介

2．1 流体动力学控制方程

2．1．1 质量守恒方程

2．1．2 动量守恒方程

2．2 湍流的数学模型

2．3 流场的离散方法

2．4 流场数值计算方法

2．5 动网格原理

2．5．1 动网格守恒方程

2．5．2 动网格更新方法

2．6 CFD商用软件——FLUENT介绍

2．7 本章小结

第三章 斜腹板倾角对三分力的影响

3．1 静力三分力

3．1．1 风荷载的三分力

3．1．2 静力三分力系数

3．2 数值模拟方法

3．2．1 计算域的选取和边界条件

3．2．2 网格划分方法

3．2．3 湍流模型的选择

3．3 计算结果准确性比较

3．4 数值模拟结果及分析

3．5 本章小结

第四章 斜腹板倾角对颤振稳定性的影响

4．1 桥梁断面颤振导数及识别

4．2 数值计算方法

4．2．1 流场计算域的确定及网格的划分

4．2．2 动网格参数的控制和UDF实现方法

4．3 数值模拟结果及分析

4．3．1 升力和扭矩时程曲线

4．3．2 颤振导数的识别

4．4 颤振分析临界风速的计算

4．4．1 结构动力特性计算分析

4．4．2 颤振临界风速的计算

4．5 本章小结

第五章 斜腹板倾角对涡激振动的影响

5．1 涡激振动理论

5．2 数值模拟方法

5．3 计算结果分析

5．4 本章小结

总结

本文主要工作

有待进一步完善的地方

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及参加科研项目