π型主梁双跨简支悬索桥流固耦合效应研究

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π型主梁双跨简支悬索桥,整体刚度小,π型断面抗扭性能较弱且流线型差,分离流和旋涡脱落之间的相互作用更加复杂,因此π形断面大跨度缆索承重桥梁在流固耦合效应下易发生气动共振。鉴于以上原因,进行π型断面双跨简支悬索桥的抗风性能研究很有必要。本文采用数值风洞完成了π型断面三分力系数、颤振导数的识别;进行了双跨简支悬索桥结构三维颤抖振响应仿真,研究考虑流固耦合效应的桥梁结构颤抖振性能;基于k-ωSST湍流模型进行了π型断面桥梁涡激振动的流固耦合模拟,研究了该类型主梁悬索桥涡振敏感性。主要研究工作和结论包括:(1)使用独创脚本语言引擎,编程实现了π型断面静态绕流模拟,并用理想平板和闭口箱梁断面进行了验证。平板升力、升力矩系数模拟值和理论解吻合度达到95%以上;闭口箱梁阻力系数模拟值与试验值相对误差小于7%,低于公路桥梁抗风设计规范规定的15%上限。本文数值模拟方法可靠。(2)实现了π型主梁断面的颤振导数识别模拟,并用理想平板和闭口箱梁断面进行了对比验证。平板颤振导数H1*、H3*、H4*、A1*、A2*模拟值和理论值曲线吻合度达到94%以上;江阴大桥闭口箱梁断面颤振导数模拟值与风洞试验值整体曲线趋势相同,得到的颤振临界风速与风洞试验值误差在2.43%以内,误差小。(3)构建了悬索桥三维非线性颤抖振分析平台。采用谐波合成方法进行了风场模拟;采用非线性颤抖振时域方法进行结构颤抖振响应计算,考虑了结构几何非线性和气动荷载非线性的影响;通过建立具有自激力的时域风荷载模型考虑流固耦合效应。结果表明:本文π型主梁双跨简支悬索桥在设计风速下结构位移小,满足行人舒适度要求,等级评价为“好”。(4)基于独创脚本语言进行编程,选用k-ωSST湍流模型,采用交错方法进行流固耦合处理,基于大变形动网格和有限体积法实现了π型断面主梁涡激振动数值仿真;采用该方法对矩形柱进行了涡激共振搜索,矩形柱涡激共振模拟与风洞试验结果在涡振最大振幅上误差不超过6.8%,风速锁定区间相差小,验证了本文方法的可靠性;对π型主梁断面悬索桥进行了涡激共振检验,在阻尼比为0.008条件下搜索了4~28m/s风速范围,发现在12~18m/s风速区间内该桥存在涡激共振响应;最后分析了该类型桥梁涡振发生与阻尼比的相关关系,发现随着阻尼比的减小,涡振发生的风速区间基本不变,但是最大涡激振幅变化较大,当阻尼比为0.004时,涡振最大振幅超出规范限值。
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