带悬挑翼板的流线型箱梁颤振性能和颤振机理研究

摘要

随着对大跨度桥梁需求的不断增加，未来将迎来特大跨悬索桥建设高峰，抗风稳定性成为了制约跨度发展的重要因素。流线钢箱梁以其优越的气动性能，广泛应用于大跨度悬索桥，为了进一步提升流线钢箱梁的颤振性能，使其适用于未来的特大跨桥梁，本文基于已有研究，提出了一种在流线箱梁外侧设置悬挑翼板的新型气动布局。基于弹性悬挂节段模型试验，研究了不同翼板角度对无翼板断面颤振性能的影响，并基于耦合颤振闭合解理论，对颤振机理和颤振性能提升的原因进行了深入分析，主要内容及结论为：　　(1)根据已有研究，选择了一种气动性能较好的流线箱梁，以此为基础提出了带悬挑翼板的新型气动布局，基于节段模型风洞试验，研究了0°、+3°和+5°风攻角下不同角度翼板对原始断面颤振性能的影响，结果表明迎风侧翼板-15度背风侧翼板0度布置时，+5°攻角下的颤振临界风速能提升22％。　　(2)基于耦合颤振闭合解，提出了简化的颤振因子，揭示了四个主要颤振导数与颤振性能的关系。并基于准定常理论，得到了静力三分力系数和颤振性能的关系，可由三分力系数初步判断不同攻角下颤振性能的优劣。　　(3)采用分状态强迫振动法，对不同布局下的颤振导数进行了识别。通过颤振闭合解计算颤振临界风速，对颤振导数的准确性进行了检验。并利用识别的颤振导数，通过简化的颤振因子分析了不同悬挑翼板布局的颤振性能，与试验结果吻合良好。　　(4)通过耦合颤振闭合解理论，对各布局的颤振机理进行了分析。结果表明，颤振形态均为由扭转运动牵连的弯扭耦合颤振，颤振是由扭转分支模态阻尼比由正变负导致的。总阻尼比为0时，达到颤振临界状态，由扭转运动牵连的竖向运动产生的耦合气动负阻尼是使扭转模态分支总阻尼由正变负的直接原因。　　(5)基于闭合解，对设置翼板后，颤振性能提升的机理进行了分析。结果表明，不同布局，对不同攻角下原始断面颤振性能的提升机理不同。迎风侧翼板-15度背风侧翼板0度时，提升原始断面0°和+3°攻角颤振性能的原因为同风速下耦合气动负阻尼比的减小。而+5°攻角下颤振性能的提升是由非耦合气动正阻尼的增加和耦合气动负阻尼的减小两方面共同作用导致的。

目录

声明

第一章 绪论

1.1.1 悬索桥跨径的发展

1.1.2 超大跨悬索桥需求分析

1.2 悬索桥跨径发展的制约因素

1.3 加劲梁气动断面的发展

1.4 提升流线型整体钢箱梁气动性能的措施

1.4.1 梁体自身尺寸优化

1.4.2 附属结构

1.4.3 被动气动控制措施

1.4.4 主动控制措施

1.5 大跨度悬索桥颤振研究现状

1.6 本文主要工作

第二章 流线箱梁新型气动布局的提出与颤振性能检验

2.1 流线钢箱梁梁体的气动布局

2.2 带悬挑翼板气动布局的提出

2.3 新型气动布局的颤振性能

2.3.1 模型设计

2.3.2 风洞试验

2.3.3 试验结果及对比

2.4 本章小结

第三章 耦合颤振闭合解理论

3.1 精细的耦合颤振闭合解理论

3.2 耦合颤振闭合解的物理意义

3.3 简化的闭合解理论

3.4 颤振因子的简化

3.5 本章小结

第四章 不同气动布局的自激气动力参数识别

4.1 自激气动力参数识别

4.1.1 强迫振动试验装置

4.1.2 数据处理方法

4.2 理想平板颤振导数理论解

4.3 典型气动布局的颤振导数测试结果

4.3.1 无翼板原始气动布局的颤振导数

4.3.2 翼板 0度对称布置时的颤振导数

4.3.3 翼板-15度对称布置时的颤振导数

4.3.4 迎风侧翼板-15 度背风侧翼板 0 度时的颤振导数

4.4 不同气动布局相同攻角下的颤振性能对比

4.4.1 0°风攻角时各布局的颤振因子

4.4.2 +3°风攻角时各布局的颤振因子

4.4.3 +5°风攻角时各布局的颤振因子

4.5 本章小结

第五章 基于闭合解的颤振机理研究

5.1 自激气动力参数准确性验证

5.2 相同气动布局在不同攻角下的颤振机理

5.2.1 原始断面的颤振机理

5.2.2 翼板 0度对称布置时的颤振机理

5.2.3 翼板-15度对称布置时的颤振机理

5.2.4 迎风侧翼板-15 度背风侧翼板 0 度布置时的颤振机理

5.3 相同攻角下翼板对颤振性能影响的机理研究

5.3.1 0°风攻角时不同气动布局的颤振性能对比

5.3.2 +3°风攻角时不同气动布局的颤振性能对比

5.3.3 +5°风攻角时不同气动布局的颤振性能对比

5.4 各工况下的颤振形态

5.5 本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目