典型主梁断面颤振导数数值模拟研究

摘要

颤振对人们的生命安全和地区经济发展造成了极大的威胁，因而在桥梁抗风设计中应杜绝其发生。本文以CFD为建模工具、FLUENT为求解器，MATLAB为数据处理工具，以薄平板断面、流线型断面和π型钝体断面为研究对象，主要研究工作包含：颤振导数识别、颤振稳定性分析及非线性成分分析。本文主要内容及结论如下：　　（1）以薄平板断面、流线型断面和π型钝体断面为研究对象，以数值方法计算主梁断面三分力系数，并将数值结果与理论解或实验结果对比，验证了数值方法的可靠性。　　（2）以0°风攻角下的薄平板断面为研究对象，设置2组不同的混合网格计算模型和1组非结构网格计算模型，从建模难易、计算精度、计算时长3个方面对3组方案进行优劣分析。　　（3）采用分状态强迫振动法识别了3°、5°、7°风攻角下薄平板断面的颤振导数。结果表明，不同风攻角作用下，除A4*以外，其余颤振导数随折减风速变化曲线的数值结果与实验结果整体趋势一致；除5°风攻角下H2*、A4*及7°风攻角下H4*、A4*以外，数值模拟误差较大，其余颤振导数数值模拟结果较佳。本文采用图解法计算颤振临界风速，发现随着风攻角增大，薄平板的颤振临界风速降低。（H2*、A4*、H4*为颤振导数，表示气动自激力对结构所受升力、力矩的影响）　　（4）探讨了苏通大桥在不同风攻角、不同风嘴高度、不同斜腹板角度及不同导流板长度下颤振导数及颤振临界风速的变化情况，为宽高比为10的大跨度桥梁主梁断面设计提供依据。　　（5）以π型钝体断面为研究对象，识别了其颤振导数，并对其气动力数据中的高阶谐波分量进行分析。结果表明，一阶成分和二阶成分占总自激力的85%以上，三阶及三阶以上的高阶成分占比较小。

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