水流作用下的双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应研究

摘要

西藏达林大桥是一座横跨雅鲁藏布江，跨径布置为35m+5×30m+35m的钢筋混凝土连续梁桥，下部结构采用双圆柱式桥墩。2018年7月的汛期，在水流作用下达林大桥桥面出现了出乎意料的纵桥向大幅振动。本桥桥面的振动方向与来流流向垂直，是一种典型的流固耦合振动问题。虽然柔性结构在风及水流等作用下的流致振动问题已有大量研究，但对刚度大、质量大的小跨径混凝土梁桥的流致振动问题的报道和研究都非常少。目前已有关于水流作用下桥墩的研究多是基于缩尺模型试验及数值模拟进行的，其研究内容主要涉及动水压力、冲刷及桥梁自振特性等。为此，为分析达林大桥振动原因，本文对水流作用下的双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应进行了现场实测及数值模拟研究，分析了其振动机理，并探讨了阻尼比、双圆柱桥墩中心距、冲刷深度等对绕流场及流致振动的影响。本文主要工作及结论如下：　　(1)介绍了水流对桥梁的冲刷、绕流及流致振动问题。回顾和介绍了国内外学者关于圆柱/串列双圆柱等绕流及流致振动方面的相关研究成果。结合西藏雅鲁藏布江达林大桥的流致振动问题，给出了本文的研究背景、研究意义及拟开展的研究内容。　　(2)在汛期对达林大桥进行了水流作用下桥梁动力响应实测，水流流速约为4m/s，获得了桥梁的加速度和纵向位移等动力响应。实测数据表明，大桥纵桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振，此时纵桥向最大加速度约为0.08m/s2，加速度RMS值为0.016m/s2，梁端最大位移为1.81mm。横桥向则表现为随机振动，横桥向振动最大加速度约为0.05m/s2，加速度RMS值为0.009m/s2。大桥纵桥向自振频率实测值为0.91Hz，横桥向自振频率实测值为1.22Hz，与ANSYS计算结果吻合较好。利用随机子空间SSI方法对纵桥向各时程数据进行模态识别，识别出的阻尼比为0.34%~3%，识别结果较为离散。　　(3)建立了水流作用下双圆柱桥墩沿纵桥向振动的二维广义单自由度振动方程，基于k??SST湍流模型在流速2~10m/s范围(无量纲速度Ur=1.69~8.45、Re=2.6×106~1.3×107)内对双圆柱桥墩(无量纲质量m*=503.7)二维断面进行了数值模拟，得到了ζ=0.01，0.02和0.03(Sc=6.41，12.82，19.24)等三种不同阻尼比下桥墩墩顶位移随流速变化的关系曲线。结果表明：三种阻尼比工况下在流速3~6m/s范围内均观测到了双圆柱体桥墩的涡激振动；随着阻尼比的增加，涡振最大振幅变小，但涡振锁定区间基本不变，发生最大涡振振幅时无量纲流速Ur为3.60。考虑实际桥墩的三维振型并假定倒三角流速梯度的分布，对二维结果进行了三维效应修正，当U=4m/s，ζ=0.01时，涡振振幅为1.60mm，与实测值较为吻合。此外，由于尾流效应，双圆柱中的下游圆柱的涡激力幅值是上游圆柱的2.2倍，对双圆柱桥墩整体的涡激振动也有显著的增强效应。进一步研究了双圆柱圆心距对墩顶位移响应的影响，发现当圆心距增大时，墩顶位移响应将减小。当发生涡振时，圆心距比L/D=3.54、3.70、3.85(L=4.6m、4.8m、5.0m)三个工况下的尾涡结构结构类似。　　(4)水流对桥梁的长期作用可能会引发墩台处的冲刷问题，进一步研究了冲刷深度对双圆柱体涡振的影响。采用美国公路桥梁设计规范中的建议的HEC-18公式对桥墩处的冲刷深度进行了预测。将冲刷影响计入到桥墩动力响应分析之后，发现随着冲刷深度的增大，桥墩位移响应将随之急剧增大，这会对桥梁造成了极不利影响。　　(5)通过Fluent对桥墩双圆柱进行了三维模拟，对几个特定流速下的流体力及桥墩位移响应进行了详细讨论，并与二维模拟进行了对比分析。结果表明三维模拟下的桥墩振动响应体现出较强的三维效应，且升力成分复杂，一般拥有多个频率。当Um=6m/s时，桥墩发生了横流向的涡激共振，由于来流流速分布的关系，使得涡振锁定区间明显后移。三维涡结构更为复杂，流场形态也更为复杂。随着流速增大，流体在流经上游柱后会在其后方逐渐脱落形成漩涡。且随着流速增大，下游柱后方的漩涡脱落的速度将变快，且沿圆柱展向脱落速度发生变化。

目录

声明

第1章 绪论

1.1水流对桥梁的作用

1.2圆柱绕流研究现状

1.3流致振动研究现状

1.4主要研究内容

第2章 西藏达林大桥流致振动实测研究

2.1 引言

2.2 达林大桥工程背景

2.3 有限元建模分析

2.4 现场振动实测

2.4.1 传感器布置与测试内容

2.4.2 水流作用下的振动测试

2.3.3 基于跳车激振的振动测试

2.5 模态参数识别

2.6 本章小结

第3章 双圆柱桥墩流致振动的二维仿真分析

3.1 引言

3.2 基本理论

3.3 网格无关性验证

3.4 绕流特性分析

3.5 流固耦合研究

3.5.1 计算模型

3.5.2 动力响应三维修正

3.5.3 振动计算分析

3.6 尾流特征分析

3.7 本章小结

第4章 双柱圆心距及冲刷深度对桥墩位移响应的影响

4.1 引言

4.2 串列双圆柱圆心距影响

4.2.1 振动计算分析

4.2.2 尾流特征分析

4.3 冲刷深度影响

4.4本章小结

第5章 双圆柱桥墩流致振动的三维仿真分析

5.1引言

5.2计算模型及参数设置

5.3 振动计算分析

5.4尾流特性分析

5.5本章小结

结论与展望

本文主要研究结论

主要创新点

今后研究工作展望

参考文献

致谢

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