大跨度悬索桥流线型箱梁断面颤振控制与机理研究

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颤振是大跨度悬索桥设计的控制因素之一,如何有效提高大跨度悬索桥颤振稳定性是其抗风设计的重点。影响桥梁结构颤振稳定性的主要因素有桥梁结构体系、加劲梁气动外形和气动措施三大类。论文受国家自然科学基金资助(No.51778225),以拟建的主跨1660m的伶仃洋大桥为工程背景,采用风洞试验与数值模拟相结合的方法,对流线型主梁断面的颤振稳定性控制措施与机理进行了研究,具体研究工作如下:(1)采用风洞试验方法研究了悬索桥主缆空间形式、主梁气动外形及中央稳定板高度对流线型整体钢箱梁桥的颤振控制效果。研究表明:主缆布置形式对桥梁结构颤振临界风速的影响主要表现为主缆布置形式导致桥梁结构扭转频率的改变,从而影响桥梁结构颤振临界风速;适当增加主梁断面宽高比可有效提高桥梁结构颤振临界风速;设置合适高度的中央稳定板可有效提高带水平分离板的流线型箱梁断面颤振临界风速。(2)采用大涡模拟求解N-S方程,结合动网格技术,将Newmark-β算法通过UDF嵌入Fluent软件,实现桥梁主梁断面流固耦合颤振分析。通过薄平板的直接颤振临界风速模拟,验证了本文的计算方法。针对某主跨为1660m的大跨悬索桥主梁断面进行数值模拟,并与节段模型试验结果对比,成桥状态计算结果与试验值最大误差小于7%,带中央稳定板工况计算结果与试验值计算最大误差小于15.7%,计算值与试验值吻合较好。本文数值计算方法不仅适用于带栏杆、水平分离板等复杂附属设施的流线型箱梁断面颤振分析,也能比较准确的反映桥梁断面中央稳定板气动措施的颤振控制效果。(3)分别从中央稳定板高度、附加风攻角及流场结构分析了中央稳定板对于大跨悬索桥结构的颤振控制机理。研究结果表明:气动导数A2*曲线随着中央稳定板高度的增加逐渐向下偏移,这将有利于提高断面的颤振性能,且不同中央稳定板高度下A2*曲线相对于原断面的偏移量与攻角有关;桥面中央稳定板的存在使得附加风攻角存在变小的趋势,对大跨度悬索桥进行颤振分析时,有必要考虑附加风攻角的影响;中央稳定板附近产生的涡主要对流线型主梁断面产生竖向气动力作用,导致主梁断面竖向运动参与程度提高,抑制了主梁断面的扭转运动,从而提高了流线型箱梁断面颤振稳定性。
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