基于CFD的连续刚构桥主梁气动特性数值模拟研究

发布时间：2020-08-08 11:04

【摘要】：随着我国经济建设的发展,高速公路已经成为山区路网建设的重要内容。连续刚构桥作为公路穿越崇山峻岭的首选桥型,其刚度小,基频低,固有周期长,在工程实践中往往被设计成双幅桥面桥梁或在既有桥附近再建一座与其平行的复线桥,来增加结构的车辆通行能力。但在气流作用下,双幅桥面之间往往存在一定的相互影响。包括双幅桥面气动干扰所引起的主梁涡激共振、颤振稳定性、抖振响应以及双幅桥面风荷载与单幅主梁断面存在的差异,这些影响统称为双幅桥面的“气动干扰效应”,因此必须充分重视风荷载的作用。本文采用CFD数值分析方法,针对高墩大跨连续刚构桥的主梁气动特性进行了系统研究。主要工作如下:介绍了计算流体动力学数值模拟的控制方程。阐述了湍流数值模拟和计算模型的分类。探讨了离散差值格式和压力速度耦合方法的选择以及流场计算域离散方法的原理和思路。基于计算流体动力学(CFD),以某高墩大跨连续刚构桥的典型断面为背景进行了数值模拟。引入无量纲的静力三分力系数(阻力系数、升力系数、扭矩系数),来对比研究风攻角、梁高、桥梁横坡等参数对单幅桥主梁截面气动力特性的影响。针对双幅桥面的气动干扰效应,引入气动干扰因子的概念,对比研究风攻角、双幅断面相对位置等参数对双幅桥梁气动干扰效应的影响,并结合可视化流场分析其干扰机理。本文的研究成果可为双幅桥梁气动干扰效应的进一步研究,以及高墩大跨连续刚构桥实际工程的设计提供参考和指导。
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U448.23
【图文】：

物理问题,差分格式,选择相,解法

的ＣＦＤ商业软件ＦＬＵＥＮＴ具有灵活处理网格的优点，可以帮助使用者在各网格类型中逡逑选择最适合特定应用的网格拓扑结构。在ＦＬＵＥＮＴ的计算中，当确定所要解决问题的逡逑特征之后，便可以从下列的基本步骤入手来解决问题，如图２．１所示。逡逑确定所需要的附加逦mP宁封赳物捆忡肟逡逑创灥格逦模型，如热交换，逡逑多孔介质等逦及边界条件逡逑ｖ逦ｙ逦＼逦／逦＼逦逡逑运行合适的解算器：逡逑２Ｄ、３Ｄ、２ＤＤＰ、逦疋逦调节解的控制参数逡逑Ｑｐｊｐｓｐ逦／而／荒、有无粘ｔｔ、逡逑ｄ邋ｕ逦热传导模型等等逡逑＼逦ｙ逦Ｖ逦逦逦逡逑初始化流场，计算逡逑输入并检查网格逦选择解的格式逦解，检查并保存结逡逑果逡逑逦逦邋Ｖ逦ｙ逦Ｖ逦ｙ逡逑图２．１邋ＦＬＵＥＮＴ计算流程图逡逑ＦＬＵＮＥＴ的优点如下：（１）适用面广，包含各种优化物理模型和数值解法，用户逡逑可以针对不同的物理问题选择相应的差分格式，来保证整个计算过程的速度、精度和稳逡逑定性。（２）效率高、耗时少。ＦＬＵＥＮＴ将各个领域的计算软件相结合，构成ＣＴＤ计算逡逑软件群，各个软件之间可以进行数值交换，并应用统一的前处理与后处理工具，帮助用逡逑１３逡逑

流速分布,体轴,主梁,坐标系

１引言逡逑本章基于计算流体动力学（ＣＦＤ），对某高墩大跨连续刚构桥主梁的不同截面在不同逡逑况下进行了数值模拟，研宄了梁高、风攻角、桥梁横坡、雷诺数效应等参数对桥梁主逡逑断面静力三分力系数（阻力系数、升力系数、扭矩系数）的影响，并结合可视化流场逡逑析了不同断面和工况下的压强和流速分布。逡逑２邋三分力系数的定义逡逑风荷载即风的动压力，三分力系数是描述静风荷载的一组无量纲参数。平均风在桥逡逑构件表面上会形成流动速度不同的点，从而造成压强差，桥梁构件上下和左右表面压逡逑差的面积分，分别为桥梁的升力荷载ＦＬ和阻力荷载ＦＤ。升力荷载和阻力荷载同时存逡逑并与桥梁的扭心不一致，便会产生扭矩ＦＭ［２７］。体轴坐标系下的静力三分力如图１所逡逑，其中ａ为来流风攻角。逡逑

断面图,主梁,断面

第三章连续刚构箱梁桥静风力系数参数影响研宄逦逡逑其中：ＦＤ、ＦＬ、ＦＭ分别代表桥梁主梁单位长度的阻力、升力和扭矩；ｐ代表空气密逡逑度；ｖ代表来流风速；Ｄ和Ｂ分别为断面的高度和宽度。逡逑３．３邋主梁断面流场数值模拟逡逑３．３．邋１几何模拟与计算工况逡逑本章分别以某高墩大跨连续刚构桥梁的主梁跨中断面（截面梁高２．６９１ｍ，下同）、逡逑Ｌ／３主跨断面（２．９４ｍ，Ｌ为中跨跨度）、Ｌ／３主跨断面（３．３３７ｍ）、支点断面（４．６９１ｍ）逡逑的箱梁截面为背景。该箱梁顶板全宽为Ｂ＝１２．７５ｍ，设有３％的横坡，底板宽度为７ｍ，逡逑以跨中和支点断面为例，截面如图３．２、图３．３所示。逡逑１３００

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