矩形及流线型箱梁三维气动导纳识别方法精细化研究

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三维两波数气动导纳可描述紊流三维效应对抖振力非定常特性的内在机理,对于大跨度桥梁的抖振响应精细化分析具有重要意义。以往的相关研究多是针对零攻角条件,忽略了紊流纵向脉动成分对抖振升力的贡献。而在非零攻角条件下,紊流纵向、竖向脉动成分对抖振力的贡献均不可忽略,因此有必要开展非零攻角下的钝体断面三维气动导纳研究。另一方面,二维气动导纳是两波数气动导纳在片条假定条件下的特解,对于跨宽比较大的桥梁,其可简化抖振分析的计算难度。但目前的二维气动导纳识别方法均存在一定的局限性,有必要探索一种高效、简便的识别方法。此外,传统的两波数气动导纳一般是基于节段模型测压法得到,难以推广至复杂钝体断面,有必要基于节段模型测力法提出一种更为通用的三维气动导纳识别方法。本文针对以上三个方面的问题进行研究,主要研究内容和结论如下:(1)借鉴紊流张量理论及三维抖振力理论,提出了钝体断面在非零攻角下的三维气动导纳理论和识别方法,区分了紊流纵向、竖向脉动分量对抖振力非定常特性的影响。通过传统被动风洞试验,识别了不同攻角下矩形和流线型箱梁的气动导纳纵向、竖向分量,分析了紊流纵向、竖向脉动分量对抖振力的贡献,发现二者随攻角的变化呈此消彼长之势。较之于以往的等效导纳识别法,本方法不仅可更准确评估非零攻角下的抖振荷载,还可从数学角度反映其空间分布特性。(2)为改进传统被动紊流模拟技术的不足,采用多风扇主动控制风洞产生仅包含纵向脉动成分的连续紊流场,对不同攻角下矩形和流线型箱梁的气动导纳纵向分量进行了精确识别,给出了其闭合表达式。通过主动-被动连续紊流混合试验方法识别不同攻角下的纵向、竖向二维气动导纳,从频域角度分析了非零攻角下紊流纵向、竖向脉动分量对抖振升力的影响机理。(3)以CFD数值模拟手段产生包含多个频率成分的纵向或竖向正弦脉动风场,从而对矩形和流线型箱梁在不同攻角下的纵向、竖向二维气动导纳进行了分离频率法识别。该方法与单频正弦脉动风试验识别法具有相同的精度,但可应用于较高频率范围,且无需进行重复扫频识别,从而更为高效。此外,分离频率法与主动-被动连续紊流混合试验法的识别结果大致吻合,前者的优点在于避免了相对繁琐的三维气动导纳识别过程,应用更为方便。(4)推导出测力法与测压法所得抖振力参数的内在关系,二者比值不仅与梁长有关,还取决于抖振力的空间相关性。在此基础上提出三维气动导纳的双天平同步测力识别法,验证了该方法对不同长度测力段的普适性,并将其应用于成桥态流线型箱梁断面,分析了栏杆透风率对抖振力特性和气动导纳的影响。
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