大跨度悬索桥颤振特性风洞试验研究与数值模拟

发布时间：2017-08-13 07:17

  本文关键词：大跨度悬索桥颤振特性风洞试验研究与数值模拟

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【摘要】：现代大跨度悬索桥正朝着超大跨度、极度轻柔的方向发展,风致振动问题显得越来越突出。本文依托国家自然科学基金面上项目,以大跨度悬索桥——寸滩长江大桥为工程背景,采用风洞试验和CFD数值模拟两种研究方法对其颤振特性进行研究,研究工作包括颤振导数的识别以及颤振临界风速的求解。其中寸滩长江大桥的主梁又是少见的宽高比为12的宽体式扁平钢箱梁,通过研究总结部分宽体式扁平钢箱梁的颤振特性发展规律,为今后类似的实际工程和相关研究工作提供参照。具体的研究工作包括以下内容:(1)首先是基础理论推导,包括颤振导数基本理论和计算流体动力学(CFD)基础理论,分析得到理想平板颤振导数的Theodorsen理论解,以及颤振导数的自由振动和强迫振动两种识别方法,同时说明本文所采用的FLUENT软件数值模拟计算过程以及计算模型和计算参数的选取,并推导颤振临界风速的计算方法;(2)采用FLUENT软件应用计算流体动力学的方法首先对理想平板的颤振导数进行数值计算,编制UDF程序利用动网格原理,获得竖向和扭转运动的气动力时程数据,编制MATLAB程序根据最小二乘法原理识别得到8个颤振导数,并与理想平板的Theodorsen理论解进行对比,验证数值计算程序的可行性;(3)对主梁节段模型的参数进行设计并制作风洞试验模型,在边界层风洞中进行颤振性能试验,直接对施工态和成桥态的颤振临界风速进行测定,同时采用自由振动法识别颤振导数,通过采集竖向和扭转的位移时程数据,并编制MATLAB程序根据最小二乘法原理识别主梁断面两个自由度方向的8个颤振导数;(4)同时采用FLUENT软件对主梁节段模型的颤振导数进行数值计算,分析得到颤振导数的数值计算结果,并依据Scanlan颤振临界风速计算方法求解主梁断面的颤振临界风速值,同时以宽体式扁平钢箱梁断面为基础,通过改变气动外形来研究其附属结构、不同栏杆透风率以及导流板等对颤振性能的影响,最后将CFD数值模拟和风洞试验两种方法获得的颤振导数和临界风速计算结果进行对比;(5)采用有限元软件ANSYS建立全桥三维模型,分别得到成桥状态和施工状态的动力特性,并根据计算结果对成桥状态和施工状态的颤振稳定性进行分析与评估,同时依据已有的颤振临界风速计算公式对无风攻角和有风攻角的颤振临界风速值进行估算,作为颤振稳定性验算的辅助参考指标。论文的最后总结了宽体式扁平钢箱梁断面颤振特性的研究结论,并验证了寸滩长江大桥的颤振稳定性满足要求,为实际工程的应用提供了一定参考价值。
【关键词】：宽体扁平钢箱梁 风洞试验 CFD 颤振导数 颤振临界风速
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441.3;U448.25
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-15
• 主要符号15-16
• 1 绪论16-30
• 1.1 引言16-23
• 1.1.1 大桥风毁案例16-17
• 1.1.2 风对桥梁的作用17-19
• 1.1.3 三种作用力的描述19-23
• 1.2 桥梁抗风研究方法23-24
• 1.2.1 理论分析的方法23
• 1.2.2 风洞试验的方法23
• 1.2.3 数值模拟的方法（CFD）23-24
• 1.2.4 现场实测的方法24
• 1.3 颤振特性研究的国内外现状24-26
• 1.3.1 风洞试验研究的现状24-25
• 1.3.2 计算流体动力学（CFD）研究的现状25-26
• 1.4 本论文的主要研究内容26-30
• 1.4.1 主要研究内容26-27
• 1.4.2 研究技术路线27-30
• 2 颤振导数的基本理论30-46
• 2.1 颤振及颤振导数30
• 2.2 气动力的描述方程30-31
• 2.3 理想平板气动导数的理论解31-33
• 2.4 颤振导数的识别方法33-34
• 2.5 自由振动识别颤振导数理论34-38
• 2.5.1 基于分离状态法自由振动识别颤振导数原理34-36
• 2.5.2 基于耦合状态法自由振动识别颤振导数原理36-38
• 2.6 强迫振动识别颤振导数理论38-41
• 2.6.1 基于分状态强迫振动的颤振导数识别方法38-39
• 2.6.2 基于耦合强迫振动的颤振导数识别方法39-41
• 2.7 颤振导数的数值计算41-42
• 2.8 颤振临界风速的计算方法42-44
• 2.9 本章小结44-46
• 3 计算流体动力学基础46-54
• 3.1 流体动力学控制方程46-47
• 3.1.1 连续性方程46
• 3.1.2 动量方程46-47
• 3.1.3 能量方程47
• 3.2 数值计算方法47-49
• 3.2.1 有限差分法47
• 3.2.2 有限元法47-48
• 3.2.3 有限体积法48-49
• 3.3 网格划分及边界条件49
• 3.4 湍流模型49-52
• 3.4.1 湍流的基本方程49-50
• 3.4.2 湍流的数值模拟方法50-52
• 3.5 数值计算求解流程52
• 3.6 FLUENT软件介绍52-53
• 3.7 本章小结53-54
• 4 理想平板的颤振导数数值研究54-66
• 4.1 数值研究参数设计及颤振导数理论解54-55
• 4.1.1 理想平板参数设计54-55
• 4.1.2 颤振导数理论解55
• 4.2 流场网格绘制与边界条件设置55-58
• 4.2.1 流场区域大小55-56
• 4.2.2 网格划分情况56-57
• 4.2.3 Fluent基本参数设置57-58
• 4.3 数值模拟的计算步骤58-59
• 4.4 数值计算结果59-63
• 4.5 颤振导数的识别63-65
• 4.6 本章小结65-66
• 5 主梁节段模型颤振性能风洞试验研究66-86
• 5.1 工程概况66-67
• 5.2 桥位风场特性计算分析67-68
• 5.2.1 桥面高度处的设计基准风速67
• 5.2.2 施工阶段的设计风速67
• 5.2.3 颤振检验风速67-68
• 5.3 节段模型参数设计68-73
• 5.3.1 动力特性分析68-69
• 5.3.2 模态质量的确定69-70
• 5.3.3 相似准则70-71
• 5.3.4 缩尺比的确定71-73
• 5.4 动力节段模型系统73-76
• 5.4.1 节段模型试验概况73-74
• 5.4.2 节段模型系统参数74-75
• 5.4.3 节段模型试验工况75-76
• 5.5 颤振临界风速的测定76
• 5.6 颤振导数的识别76-84
• 5.6.1 颤振导数识别试验76-77
• 5.6.2 颤振导数识别试验工况77-80
• 5.6.3 颤振导数识别试验结果80-84
• 5.7 本章小结84-86
• 6 扁平钢箱梁的颤振性能数值研究86-120
• 6.1 数值模拟的设计参数86-87
• 6.1.1 主梁节段缩尺模型尺寸设置86
• 6.1.2 分状态强迫振动识别法参数86
• 6.1.3 来流折算风速86-87
• 6.2 流场网格绘制与边界条件设置87-89
• 6.2.1 流场区域大小87
• 6.2.2 网格划分情况87-88
• 6.2.3 FLUENT基本参数设置88-89
• 6.3 数值计算结果89-93
• 6.3.1 气动力系数时程曲线89-90
• 6.3.2 压力等高线分布90-92
• 6.3.3 速度流场分布92-93
• 6.4 颤振导数的识别93-95
• 6.5 颤振临界风速计算95
• 6.6 扁平钢箱梁气动外形对颤振性能的影响95-113
• 6.6.1 栏杆、检修车轨道等附属装置对颤振性能的影响95-103
• 6.6.2 不同栏杆透风率对颤振性能的影响103-109
• 6.6.3 导流板对颤振性能的影响109-113
• 6.7 数值模拟结果与风洞试验结果对比113-117
• 6.7.1 颤振导数对比113-117
• 6.7.2 颤振临界风速对比117
• 6.8 本章小结117-120
• 7 全桥三维模型的动力特性及颤振分析120-134
• 7.1 全桥三维模型的建立120-122
• 7.1.1 工程基本资料120-121
• 7.1.2 全桥模型及参数设置121-122
• 7.2 动力特性计算122-128
• 7.2.1 成桥状态动力特性计算122-126
• 7.2.2 典型施工状态动力特性计算126-128
• 7.3 颤振稳定性分析128-130
• 7.3.1 成桥状态颤振稳定性分析129
• 7.3.2 典型施工状态颤振稳定性分析129-130
• 7.4 颤振临界风速计算130-133
• 7.4.1 Van Der Por公式计算颤振临界风速130-131
• 7.4.2 Selberg公式计算颤振临界风速131-132
• 7.4.3 同济大学防灾实验室公式计算颤振临界风速132-133
• 7.5 本章小结133-134
• 8 主要结论与展望134-138
• 8.1 全文总结134-136
• 8.2 本文创新点136
• 8.3 今后研究展望136-138
• 致谢138-140
• 参考文献140-144
• 附录144-145

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