雷暴冲击风作用下平地与峡谷地形风场特性及其对大跨度桥梁抖振响应的影响

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随着全球气候的变化,雷暴冲击风在世界范围内发生的频率逐渐增高。雷暴冲击风是雷暴天气中下沉气流冲击地面后迅速扩散并引起近地面短时强风的一种天气现象。目前,雷暴冲击风的研究多针对于平地地形中输电线塔和建筑工程结构,而桥梁结构在雷暴冲击风作用下的研究相对较少。近年来,许多学者对实测风速数据的研究表明,在复杂地形(如山区、峡谷)环境下,传统风特性的定义将不再适用。随着山区大跨度桥梁建设数量的增多,这些大桥不可避免地要跨越山区峡谷地形。在雷暴冲击风作用下,跨越山区峡谷复杂地形的大跨度桥梁的风致振动响应将非常复杂,并影响大桥的施工与运营状态的抗风安全。本文以实际工程为背景,基于SST k-ω湍流模型并结合冲击射流模拟方法研究了雷暴冲击风作用下平地与峡谷地形的风场特性,分析了雷暴冲击风对桥梁抖振响应的影响,主要工作如下:(1)介绍了雷暴冲击风的风场特征以及研究现状,针对目前研究中存在的问题,确定了本文的研究内容。(2)基于SST k-ω湍流模型,采用冲击射流模型对静止型雷暴冲击风的风场进行了三维数值模拟,并通过与已有研究对比,验证了本文数值模拟结果的准确性;在此基础上,计算分析了平地与峡谷地形桥址区的风场特性。研究结果表明:峡谷地形各典型测点的风攻角值总体上比平地地形的要大,但其波动范围要远小于平地地形的。(3)基于已验证的数值模拟方法,利用动网格技术,对比分析了移动型雷暴冲击风下平地与峡谷地形的风场特性。研究结果表明:峡谷地形会对风速起到一定程度的加速效应,平地地形中风攻角主要以负值为主,而峡谷地形出现了非常大的正攻角。(4)采用谐波合成法模拟了桥址区移动型雷暴冲击风的非平稳脉动风速场,以某大跨度悬索桥为工程背景,分析了雷暴冲击风作用下平地与峡谷地形中主梁的抖振响应。研究结果表明:主梁的抖振位移响应主要受时变平均风场的影响,但脉动风引起的气动荷载不能忽略;两种地形下主梁竖向与侧向抖振响应成分均以对应的一阶振型为主;而对于扭转响应,平地地形中以一阶扭转振型为主,而峡谷地形中则包含一阶扭转、二阶扭转以及更高阶扭转振型。
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