大跨度变截面连续钢箱梁空气静力特性研究

发布时间：2020-04-11 06:37

【摘要】：随着桥梁跨度增加,结构将变得越来越柔,其刚度大幅度降低,此时风荷载成为跨度桥梁主要控制荷载之一。在研究结构风荷载时,三分力系数是计算桥梁风荷载的基础,也是研究桥梁风工程的一个重要参数,其值的变化曲线与结构风荷载有密切关系。当前研究桥梁三分力系数不外乎有两种方法:一是利用实桥节段模型试验,利用风洞试验获取桥梁的三分力系数,但风洞试验周期长、费用高昂以及观察流程困难等缺点;二是通过CFD技术进行数值模拟,可以粗略得到桥梁的三分力系数,还可以得到截面周围的流场分布特性,即流场可视化。CFD技术常用于桥梁初步设计阶段,提取桥梁的气动力参数,为风荷载设计提供参考,另外CFD就是与风洞试验相结合,已经成为研究桥梁风工程的一种有效手段。本文以某变截面连续钢箱梁为研究背景,其主要内容如下:(1)首先介绍了计算流体力学的基本理论,包括流体定义、控制方程、网格分类、湍流模拟方法和湍流模型等。再以某跨涯连续钢箱梁为依托工程,分别用ANSYS和Midas计算主梁的自振频率和振型,得到了主梁的频率和振型分布规律,同时把两款软件模拟得到的结果进行对比,得到它们低阶的自振频率相差不大,也说明了用鱼梁式方法来代替复杂钢箱ANSYS建模是可行的。(2)利用CFD技术研究依托工程在线性变截面段,其截面变化形式与静力三分力系数之间的关系。在变截面段选取9个截面,用FLUENT计算各截面在-12°~12°攻角下的三分力系数,一共计算117个工况,得到了各截面在不同攻角下的三分力系数,同时研究发现当截面高度线性变化时,在0°攻角下,各截面的阻力系数、升力系数呈一定的变化规律,而扭矩系数的则无明显变化规律,还研究了各截面在??2攻角下的三分力系数的变化规律。通过数值模拟得到了截面流场的压强分布图、流速分布图以及流线分布图。从得到结果分析,进一步验证了CFD在计算流体力学方面的优越性。(3)最后,本文得到依托工程的等效风荷载近似计算公式,将等效风荷载分为平均风荷载、背景风荷载、惯性风荷载,然后,通过简化得到主梁在最大单悬臂状态和最大双悬臂状态下的阵风响应系数的计算公式,以便于实际工程的等效风荷载计算。同时计算了成桥状态在横桥向和顺桥向加载下,四个关键截面的位移和内力,以及求解主梁在双悬臂和单悬臂状态下各响应的值。
【图文】：

图片,塔科马

此时风荷载已经成为控制桥梁向超大跨发展的关键因素之一。风害是人类生活中常见的自然灾害之一，它不仅给人们带来了很大的生命威胁和财产损失，而且还造成了许多工程建筑的疲劳损伤和破坏，已经严重影响了社会经济发展和人类活动，但是我们对风荷载的破坏却毫无办法[3]。在 1879 年，当时世界上最长的泰伊铁路大桥（英国）被飓风吹毁，由此开始，桥梁工程师意识到，在桥梁设计和施工中必须要考虑静风荷载作用。然而，，现代桥梁风工程的研究是从塔科马大桥开始的，1940 年，刚建成通车的旧塔科马大桥，在气流经过桥梁时主梁出现出竖向的风致扭转振动。根据文献[4]记载，在风速为2m/s 作用下，结构的主跨就出现了剧烈的竖弯涡激振动，当主梁的振幅达到最大后，在主梁自身阻尼作用下就自行衰减。在建成通车四个月后，塔科马大桥在约20m/s 的风速作用下主梁发生严重的风致扭转振动现象，吊索在最大扭转幅度时被逐一拉断，最终桥面结构坍塌落到峡谷中，如图 1.1 所示，塔科马大桥的风毁引起了各路研究者的强烈关注，加之在塔科马大桥风毁之前有多座桥梁毁于强风，由此在土木工程界拉开了桥梁抗风的序幕。

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18图 2.1 湍流数值模拟方法Fig.2.1Classification of Turbulence Model2.3.4 湍流模型Reynolds 平均法通过引入新的湍流模型方程，使雷诺方程必须，并使之有解。在求解雷诺方程时通过引入涡粘模型，本小节将重点讨论涡粘模型中两方程模型里的标准 k 模型、 RNG k 模型和 SSTk 模型。在涡粘模型计算中，不直接求解雷诺应力项，而是通过引入涡粘系数。Boussinesq[42]提出了湍动粘性函数来表示湍流应力，并建立了雷诺应力与平均速度梯度的关系。本文在计算桥梁截面三分力系数时，湍流模型选取标准的模型。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441

【参考文献】