基于CFD方法的大跨双幅桥梁气动干扰效应研究

发布时间：2019-11-12 19:25

【摘要】：近年来随着交通量的增大，双幅桥梁以宽敞的视觉效果、良好的行车条件备受设计者的青睐。双幅桥梁断面复杂，间距较小，更易受到气动干扰效应的影响，由气动干扰引起的双幅桥面静风荷载、涡激振动及颤振稳定性等与单幅桥面相比也存在一定差别。气动干扰是大跨度双幅桥面桥梁抗风设计最为关注的问题之一。本文首先详细介绍了大跨度双幅桥面桥梁气动干扰研究现状，然后采用CFD数值分析方法，针对某跨江双幅桥面桥梁气动干扰进行了系统研究。本文的主要工作如下： 1.采用k SST湍流模型对三种典型断面（矩形断面、Π形断面和流线形断面）三分力系数进行数值模拟，将模拟结果与风洞试验进行比较，验证数值模拟的可靠性。并通过改变串列双幅断面的间距来研究这三种典型双幅断面的三分力系数在不同工况下的变化规律。 2.以某在建大跨双幅跨江桥梁为分析原型，采用计算流体动力学(CFD)的方法，对桥梁断面的气动干扰场进行数值模拟，考虑在不同风攻角下增设导流板、风嘴等气动措施，分析掌握三分力系数的变化特点以及雷诺数效应的影响。研究表明：大跨双幅桥梁断面存在三分力系数的雷诺数效应，阻力系数随着雷诺数的增加而减少，并在低雷诺数区域反应剧烈；增设气动措施（导流板、风嘴）后气动干扰影响减弱，并在一定范围内使得升力系数、扭矩系数较桥梁原断面有所降低；在不同气动措施下，雷诺数对桥梁断面的三分力系数影响规律相似，不同雷诺数下流场特性也基本相同。 3.大跨双幅桥梁极易出现涡激共振，由于其在低风速区段就可能发生，因此是研究和设计领域比较关注的重点问题。由于涡激振动问题的复杂性，目前缺乏有关桥梁涡激振动的系统抗风设计理论和方法，仍处于通过风洞试验来检验大跨双幅桥梁的设计方案是否存在涡激共振的阶段。本文采用CFD方法，对上述大跨双幅桥梁在风作用下的涡激振动响应进行数值模拟，探讨在不同风攻角下增设导流板、风嘴后对涡激共振的影响特性。同时，为深入考虑钝体断面与风场之间的气动耦合作用对涡振的影响，通过用户自定义函数的方法(UDF)引入气动耦合效应，模拟分析气动耦合作用下大跨双幅桥梁的气动涡振特点，显示结果与未考虑气动耦合作用时的接近，表明此时气动耦合影响较小。本文的研究成果可为进一步研究大跨双幅桥梁气动干扰效应，以及实际工程的大跨双幅桥梁设计提供参考和指导。
【图文】：

主跨,湖南湘西,抖振响应,悬索桥

抖振响应等问题[1]。在国内外，近几十年建成了许多双幅桥面桥梁，如日本的主跨为 405m 的名港西大桥（图 1.1），美国德克萨斯的 Fred Hartman 桥；2012 年建成通车的湖南湘西矮寨特大悬索桥，主跨 1176m，主跨居世界第三、亚洲第一（图1.2）；在建的安徽芜湖长江二桥，拟采用的主梁横断面如图 1.3 所示。

悬索桥

主跨居世界第三、亚洲第一（图1.2）；在建的安徽芜湖长江二桥，拟采用的主梁横断面如图 1.3 所示。图 1.1 名港西大桥图 1.2 矮寨特大悬索桥Fig1.1 Meiko-Chuo Bridge Fig1.2 Aizhai suspension bridge图 1.3 芜湖长江二桥标准节断面Fig1.3 Second bridge of Wuhu Yangtze River standard section1940 年风振致使美国的塔科马桥的毁坏拉开了研究桥梁空气动力学的序幕。过去 60 多年来，对气动干扰效应的研究主要涉及以下方面：1.对干扰机理的研究；2.对低矮建筑房屋、构筑物等气动干扰的研究；3.对不同的建筑模型进行研究，除矩形断面建筑模型外还包括复杂外形建筑模型和大跨屋盖结构模型的研究[2-3]。目前，大跨双幅桥面桥梁气动干扰研究的文献相对较少，表 1.1 为主要针对特定的工程来研究双幅桥面桥梁的气动干扰。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U441.3

【参考文献】