斜拉索外形对气动稳定性影响的试验研究

发布时间：2020-11-06 07:00

　　 随着斜拉桥跨径的增大,斜拉索的长度也越来越大。斜拉索一般具有长细比大、刚度小及阻尼低等特点,极易发生风致振动,如涡激共振、尾流驰振、风雨激振和干索驰振等,其中风雨激振和干索驰振振幅较大,危害严重。斜拉索在服役期间,由于风吹日晒和刮擦碰撞等外界作用,可能产生表面损伤和截面形状改变(缺陷)等情况,由于表面状态对斜拉索的绕流形态和气动力影响显著,研究表面损伤和截面形状改变(缺陷)斜拉索的气动稳定性对于提高斜拉索的使用寿命具有重要意义。与此同时,探索能够减阻抑振的新型斜拉索也是十分有意义的工作。论文以沿模型通长的凹痕和切面来模拟斜拉索的损伤,以微椭圆截面模型来模拟斜拉索的截面形状改变(缺陷),分析了两种状态下斜拉索的风致振动特性,并与标准圆柱斜拉索的结果进行了对比,同时,对特定参数的波浪形斜拉索的风致振动特性进行了分析,研究结果表明:(1)表面损伤的斜拉索的风致振幅和振动中心与标准圆柱斜拉索相近,但值得注意的是,当α≈60°左右时,临界区明显提前,风致振动也在较低雷诺数下发生。振动时频特征也与标准圆柱相似,从其机理分析结果看,其风致振动可能与临界区不稳定的流场有关。(2)微椭圆截面斜拉索在试验风攻角范围内的最大振幅相差较大,有的很小,几乎不振动,有的很大,甚至可以达到标准圆柱斜拉索的2.25倍。时频特征与表面损伤和标准圆柱斜拉索不同,振动更加稳定,时程曲线接近标准的正弦曲线,卓越频率更加突出。从机理上看,其更加接近驰振,基本上可以用Den Hartog驰振机理进行预测。(3)波浪形斜拉索在试验雷诺数范围内几乎没有发生明显的风致振动,气动稳定性良好,而且其气动阻力也没有明显的增加,表明其具有较好的减振减阻效果。另外,其在试验雷诺数范围内的升力几乎为0,这可能是其不发生大幅风致振动的原因。
【学位单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U448.27
【部分图文】：

(4) 尾流驰振尾流驰振是对于并列布置的多根斜拉索而言，下游斜拉索在上游斜拉索流作用下出现的风致振动现象。尾流驰振只在当下游斜拉索的响应频率比旋涡脱落频率和上游拉索的响应频率低时才可能发生。尾流驰振一般表现索的一阶振动，因而尾流驰振发生时，拉索中段的振幅最大。尾流驰振一般具有以下特点：当斜拉索间隔为 2~5 或 10~20 倍的拉索直发生；当风速在斜拉索 1 阶固有频率与直径的乘积的 25~50 倍范围内可能振动；增大阻尼可有效抑制振动[6]。(5) 干索驰振在风雨激振的研究过程中，学者发现在没有降雨、降雨量很小或降雨基止的情况下，斜拉索也可能发生大幅风致振动，在风洞试验和现场实测过都有观察到这种现象。如日本的 Meiko-Nishi 斜拉桥上某根 187 m 长的斜拉索在台风经过时发生烈振动，振幅达到了 1.5 m，甚至破坏了桥的附属结构和斜拉索的聚乙烯保[7, 8]，如图 1-1 所示。

图 1-2 实际调研斜拉索损伤变可能会对斜拉索周围的绕流产生极大的稳定性。刘庆宽[22-24]通过动力和静力风洞动力和气动稳定性的影响规律，结果表明稳定的流场引起的，且粗糙度增大时，雷拉索在较低风速下可能发生干索驰振。风洞试验和流迹显示的方法比较了缠绕螺力特性和绕流形式，发现表面布置凹坑斜态的雷诺数也更小，并且在超临界区始终拉索的夹角无关，主要依赖于雷诺数；缠且具有更大的升力。理想的圆柱体来模拟，其气动力系数不会存在缺陷或形状发生了改变，其气动力系生驰振。Flamand[26]和 Katsuchi[27]率先开展

风工程研究手段主要包括现场实测、风洞试验、理论分析和数拟四种方法[1, 2]。现场实测为在实际结构上安装传感器，实时测量风场和结风荷载作用下的响应，优点是数据真实、准确，缺点是存在随机性、滞后及无法系统研究某些参数的影响。理论分析是根据结构的运动方程，对运行求解，但是由于风荷载的复杂性以及流固耦合引起的非线性使得运动方求解难度极大，仅仅几种非常简单的情况才有准确的解析解。数值分析是于大型计算机，依据有限元理论，对结构与风的相互作用过程进行建模分对于参数研究以及方案比选具有很大的灵活性，但也存在湍流模型不完善诺数效应等问题。风洞试验则是依据一整套相似理论，在风洞中安装模型通过模型上安装的传感器测量风致响应，然后依据相似理论反推回实际结综合考虑数据准确度、研究方便程度以及人力物力花费等各方面因素，风验是几种方法中应用最多的，本研究也采用该方法。风洞试验在石家庄铁道大学 STDU-1 风洞的高速试验段进行，试验段宽m，高 2 m，风速为 0~80 m/s，连续可调，背景湍流度 I ≤ 0.2%，风洞示意图 2-1 所示。
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本文编号：2872810