π型叠合梁涡激振动特性及制振措施机理研究

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为跨越山谷海峡、大江湖泊等地势险峻地区,斜拉桥成为大跨度桥梁首选桥型,而π型叠合梁断面因自重较轻、施工便利等特点普遍应用于斜拉桥工程。但由于π型主梁断面为半开口形式,扭转刚度较低、气动性能较差,在常遇风速下可能发生涡激振动。尽管涡激振动不直接影响结构气动稳定性及其抗风安全性,但可能给大桥运营舒适性和行车安全带来隐患,并且会加速桥梁构件的疲劳破坏。因此,研究π型叠合梁断面的涡激振动特性,提出可行制振措施,揭示其流动机理具有重要的意义和实际工程价值。本文通过节段模型风洞试验研究了π型叠合梁断面的涡激振动性能,对比了不同气动措施的制振作用,在此基础上采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法,分析了该断面涡振的激发机理,以及下稳定板制振的流动机理,具体包括以下几方面内容:(1)简要回顾了π型叠合梁斜拉桥的发展历史,从基本理论、研究方法和影响因素等方面介绍了桥梁的涡激振动问题,并列举了国内外桥梁结构发生涡激振动的典型案例,综述了π型叠合梁涡激振动的研究现状。(2)以两座典型的大跨度π型叠合梁斜拉桥为研究对象,进行节段模型的风洞试验,并对比分析国内外标准对涡振振幅容许值的定义,最终以《公路桥梁抗风设计规范》的加速度标准确定涡振振幅限值。试验结果表明,在0°、-3°和+3°风攻角来流时两座桥梁均出现了明显的竖向涡振,其中桥例一涡振区间约为11~15m/s和20~30m/s,桥例二涡振区间为7~10m/s、10~13m/s和16~29m/s,在-3°风攻角来流时两者均有最大竖向涡振振幅,分别为174mm和309mm,远超规范允许值。(3)针对π型叠合梁断面的竖向涡激振动现象,对比下稳定板、抑流板、导流板和改变栏杆结构形式等多种气动措施的制振效果。结果表明,设置下稳定板可有效减弱主梁竖向涡激振动且基本不改变涡振区间,0°风攻角来流时两道下稳定板制振效率达到76%,三道下稳定板为83%,而其余单一气动措施对主梁竖向涡激振动的改善效果较差,制振效率不足30%,采用组合措施虽然可以有效减弱主梁竖向涡激振动但工程效益不高。(4)基于CFD软件Fluent平台,采用UDF(User-Defined-Function)编程对π型叠合梁断面进行竖向涡激振动数值模拟。通过对断面周围流场特性、压力分布特性和气动力特性等方面的分析,研究了涡振激发原理以及下稳定板气动措施的制振机理。结果表明,工字型叠合梁断面发生竖向涡激振动是上表面、梁底和尾流区三个区域旋涡的共同作用所致,其中梁底旋涡为能量集中的主涡结构,主涡结构沿下表面往后漂移形成的非定常气动力是其发生竖向涡激振动的主要成因。在梁底设置两道下稳定板后,气流经断面时更加平稳顺畅,在梁底形成稳定的回流而不发生旋涡漂移,使得下表面压力脉动值显著减小,从而达到了有效的制振效果。
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