桥梁主梁涡激力分布及其紊流影响效应研究

摘要

随着我国桥梁建造技术的飞速发展，大跨度桥梁日益增多，桥梁的最大跨度纪录不断被刷新，桥梁愈趋柔性，更易引发涡激振动问题。比如国内西堠门大桥、鹦鹉洲大桥和虎门大桥三座悬索桥的涡激共振问题引发了人们的极大关注。在常规桥梁抗风研究中，涡激振动特性的研究主要是通过节段模型在均匀流风场中进行的，而自然界的风都是以紊流状态分布的，因此如何考量紊流度对桥梁涡振的影响成为大跨度桥梁抗风研究中的必要课题之一。有鉴于此，本文通过不同紊流度风场节段模型弹性悬挂风洞试验研究涡激共振响应及其对应的涡激力特性，并结合ANSYS三维弹性简支梁有限元模型分析涡激力的分布特性及其对涡振响应的影响。完成的主要内容及成果如下：　　(1)采用高宽比1∶6的矩形断面测力测压三节段模型，通过弹性悬挂风洞试验测试了不同紊流度时涡振区间、涡激力时程与压力信号，并基于测压试验结果初步探讨了动态升力展向相关性的变化趋势与影响因素。结果表明：矩形模型竖弯涡振时动态升力沿展向并不是完全相关的，动态升力的展向相关性与风场紊流度成负相关，并且涡振区间上升段的展向相关性要高于最大振幅处。　　(2)基于Scanlan经验非线性模型“从振幅A0衰减到共振”的识别方法对1∶6矩形均匀场下两个涡振区间与紊流度IU=3.04%时涡振区间内的涡激力进行参数识别，并将拟合得到的涡激力时程与天平测试的涡激力时程进行对比。结果表明：采用Scanlan方法拟合的涡激力幅值与天平测试得到基本一致，但存在不可忽视的相位差。　　(3)开展了流线箱梁断面节段模型试验并测试了紊流度对箱梁模型涡振的影响。结果表明：流线箱梁断面的负攻角涡振性能优于正攻角；箱梁模型紊流度IU=3.04%时涡振振幅比均匀场时涡振振幅增大了8.87%，且涡振区间提前，但紊流度继续增加到IU=5.98%时振幅则明显降低。这表明对于此箱梁模型在一定程度上增大紊流度会促进涡振，紊流度再继续增大时又对涡振起抑制作用。　　(4)基于ANSYS有限元计算软件采用完全瞬态分析方法对1∶6矩形断面三种紊流度下的涡振响应进行计算分析。采用单自由度弹簧振子模型模拟矩形节段模型，有限元计算结果和试验值基本吻合；建立了与节段模型缩尺比为1∶1的简支梁有限元模型，将涡激力按展向分布拟合函数施加到简支梁上，考虑振型影响进行修正后，将三种风场的有限元计算结果与实测值进行对比，计算结果总体上与实测结果吻合较好。

目录

声明

第1章 绪论

1.2桥梁涡激振动实例及控制措施桥梁涡激振动实例

1.2.1桥梁涡激振动实例

1.2.2桥梁振动控制措施

1.3桥梁涡激振动研究背景与方法

1.4本文主要研究内容

第2章 涡激振动基本理论

2.3涡振影响因素

2.4涡激力模型

2.4.3Scanlan经验线性模型

2.5涡振振幅预测方法

2.5.1基于简谐力模型的预测方法

2.5.2Ruscheweyh模型预测方法

2.6本章小结

第3章 1∶6 矩形模型不同紊流度涡振响应研究

3.2.2格栅紊流风场测试

3.3三节段测力测压模型的设计原理

3.3.1主要试验设备

3.3.2模型受力分析

3.3.3 模型与空气之间的摩阻力计算

3.4.2紊流对涡振区间的影响

3.4.3提取天平测试涡激力

3.4.4矩形模型涡振响应对比分析

3.5 1∶6矩形三节段模型测压试验研究

3.5.1压力积分法求涡激力

3.5.2展向相关性对比研究

3.5.3节段模型涡振振幅预测

3.6Scanlan经验非线性涡激力模型参数识别

3.6.1基于位移响应Scanlan经验非线性模型参数识别

3.6.2参数识别结果对比分析

3.7本章小结

第4章 流线箱梁节段模型不同紊流度涡激振动响应

4.3扭转涡振信号分析

4.3.1不同工况下涡振响应

4.3.2 位移时程响应与其对应的频谱图

4.3.3紊流度对箱梁模型涡振区间的影响

4.4不同工况下的涡激力识别

4.5本章小结

第5章 基于 ANSYS 的时程响应分析

5.2.1 直接积分法——NewMark-β法

5.2.2 模态叠加法

5.3 1∶6矩形节段模型有限元计算

5.3.2涡振响应分析

5.4 1∶6矩形模型三维简支梁有限元计算

5.4.2考虑荷载的展向相关分布特性

5.4.3不同紊流度下涡振响应有限元计算

5.5本章小结

结论与展望

本文主要结论

研究展望

参考文献

附录A攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢