大跨径索桥覆冰型式及气动力特性研究

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义
伴随着现代科学技术日新月异的进步，新材料得到开发与应用，施工方法得以改进和完善，尤其是计算机技术与有限元分析方法的迅猛发展，以及分析理论的突破创新，使得桥梁的跨越能力越来越强，其中以斜拉、悬索体系为代表的大跨径桥梁更是如雨后春笋，取得了高速发展。悬索桥的跨径接近 2000 米量级，如丹麦大贝尔特大桥主跨 1624米，日本明石海峡大桥主跨 1990 米。斜拉桥跨径已超过 1000 米量级，目前在斜拉桥中，日本的多多罗桥跨径为 890 米，苏通长江大桥跨度高达 1088 米。拱桥的跨径也达到 550米量级。悬索桥和斜拉桥是通过缆索体系传递荷载，中承式和下承式拱桥也需要通过吊杆来传递主梁的主要荷载。缆索承受体系的安全性直接关系桥梁结构的整体安全，所以保证大跨径索桥的缆索承重体系的安全，是建桥过程中的关键环节，意义重大。风致振动是威胁大跨径索桥安全的重要因素：在冰冻气候下，由于覆冰物改变了拉索和主梁的截面形状，形成不稳定的气动外形，改变了拉索和主梁的气动力特性，就很有可能引发桥梁的颤振，涡振，抖振和驰振等风致振动。这些风致振动如果不加以研究，并采取有效的抑振措施，就可能会严重威胁桥梁的安全，因此对覆冰索桥的气动力特性，以及由此可能引发的风致振动进行研究非常必要。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 研究现状
目前覆冰型式的研究主要集中于输电线路导线的覆冰现象，桥梁方面鲜有研究，已有研究者对斜拉桥拉索的驰振特性进行研究，拉索覆冰研究文献相对较少。但拉索的外形和导线相似，所以拉索的研究也可以借鉴导线覆冰的一些成果。Majid 在研究输电线覆冰脱落对输电线影响的同时，提及覆冰对输电线驰振的影响。但他仅仅假定表面覆冰服从某一种型式，，也未见其进行输电线覆冰型式的试验。Yu 等人详细阐述了输电线的三维振动机理,但对于覆冰拉索气动性能的研究仍然不足。马文勇（2009）通过节段模型高频天平测力风洞试验，计算了准椭圆形和扇形两种代表性覆冰导线的气动力系数均值、均方根值。马文勇（2010）通过刚性节段模型高频天平测力风洞试验，对圆形截面、裸导线截面及 6 种不同类型的准椭圆形覆冰线气动力特性进行了研究，讨论了紊流度、风向角、覆冰饱满度、覆冰厚度等因素对导线气动力特性的影响以及准椭圆覆冰导线驰振稳定性的一般规律。马文勇（2012）采用刚性节段模型高频天平测力风洞试验测试了不同紊流度下的 8 种扇形薄覆冰导线气动力，得出了紊流度的增加提高了可能的驰振临界风速，因此高紊流度对驰振有一定的抑制作用的结论。刘小会（2011）进行了覆冰四分裂导线的气动力特性试验以及气弹模型试验，进行了气弹模型试验并与数值分析方法进行了比较，验证了数值分析方法的正确性王昕（2011）、楼文娟（2011）进行了均匀流和均匀紊流下 D 型覆冰和新月形覆冰的单导线气动特性风洞试验；进行了双分裂和四分裂新月形覆冰导线的气动特性测试，得出了分裂导线整体气动力系数受到子导线的相互干扰更为严重的结论；并进行了双分裂和四分裂新月形覆冰导线的气弹模型试验，并与数值分析进行了比较。楼文娟（2011）分别对新月形覆冰输电导线、安装扰流防舞器的无覆冰输电导线及安装 3 种不同直径的扰流防舞器的新月形覆冰输电导线，进行刚性足尺截断模型天平测力风洞试验，并对绕流防舞器的舞动控制效果进行了研究。
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第二章 斜拉索覆冰型式的试验研究

2.1 斜拉索覆冰试验
为了解斜拉索的常见覆冰型式，进行本次斜拉索结冰试验。试验需要统计出各种覆冰型式的几何特征尺寸，然后总结出几种常见的分类及其几何特性，从而为桥梁的抗风性能研究提供必要的参数和分析，便于桥梁的设计和施工。为了研究拉索的覆冰特性，选择了两种拉索的直径，两个倾角，制作拉索刚性节段模型。模型试验在野外进行，环境温度为-5°C 至-10°C，设置简易雾状洒水装置，降水量为 7mm（小到中雨降水等级），模拟低温环境的降水，但因环境无固定风向的自然风，所以本次覆冰试验没有模拟风对覆冰型式的影响。青海哇加滩黄河特大桥的跨径布置为（104+116+560+116+104）m，采用典型的“PI”型加劲梁，拉索保护套筒直径是 120mm、160mm。青海哇加滩黄河特大桥建立在青海省的东部，海东地区和黄南藏族自治州，属于典型的中国西部高寒山区，频繁发生的灾害性气候，使得桥梁抗风问题更为复杂化。为正确评价大桥在施工、运营阶段的抗风安全性能，有必要开展有关抗风专题研究，而斜拉索覆冰型式以及拉索驰振特性的研究是其中的重要部分。
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2.2 试验结果
通过斜拉索覆冰试验，总结出斜拉索的三种主要覆冰型式：A 型覆冰，离散冰棱；B 型覆冰，非均匀扩径；C 型覆冰，类似轴向流冰分布。如下图 2.2 所示：本章以青海哇加滩大桥为实例，进行斜拉索覆冰试验。通过本次试验，总结出斜拉索三种主要覆冰形式：A 型覆冰，离散冰棱；B 型覆冰，非均匀扩径；C 型覆冰，类似轴向流冰布；同时统计各种形式的几何特征尺寸，分析出一个较为合适的尺寸，能够为桥梁的抗风性能研究提供必要的参数和分析，以便于桥梁的设计和施工。A 型覆冰的特征：A 型覆冰是离散的冰棱，影响该类覆冰的气动参数大小有最长及最短冰棱的直径，单位长度的冰棱根数。单位长度冰棱的根数越多，冰棱间距越小，阻风面积越大，阻力系数相对较大。试验结果表明，冰棱最长达到拉索直径的 1.6 倍，最短也会达到拉索直径的 0.6 倍。
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第三章 覆冰斜拉索的数值模拟........22
3.1 计算方法 .......22
3.2 计算原理 .......23
3.3 计算工况和网格划分 .....23
3.4 数值模拟计算 .....23
3.5 小结 .........39
第四章 覆冰主梁的风洞试验研究....41
4.1 桥梁结构动力特性 ....41
4.2 覆冰主梁的风洞试验...... 43
4.2.1 D 型覆冰节段模型测力风洞试验 ......... 43
4.2.2 D 型覆冰节段模型测振风洞试验 ......... 47
4.2.3 E 型覆冰节段模型测力风洞试验.... 56
4.2.4 E 型覆冰节段模型测振风洞试验.... 57
4.3 小结......... 61

第四章 覆冰主梁的风洞试验研究

4.1 桥梁结构动力特性
桥梁结构的动力特性分析，是桥梁风振的气动力特性研究的基础，计算各种设计方案、各状态下的动力特性，能够为风洞试验节段模型的设计和制作提供依据。本节具体采用 ANSYS 结构分析软件分析程序计算 。下文普立特大桥为例简单介绍普立特大桥（主跨为 628m）的动力特性分析采用有限元分析方法，首先结构离散，然后施工阶段使用倒拆法进行分析，按加劲梁吊装完成比例划分为：30%加劲梁吊装完成阶段，70%加劲梁吊装完成阶段，90%加劲梁吊装完成阶段，成桥阶段及施工阶段均有考虑冰荷载与不考虑冰荷载两种工况。根据普立特大桥的结构特点，在保证其质量和刚度不变，即与保持实桥一致，然后建模，其建模的具体步骤如下：采用 Beam4 单元来模拟加劲梁、索塔（塔柱及上下横梁）、承台、刚臂等，在施工阶段加劲梁节段之间采用铰接（附加质量采用增大材料密度的方式来加以考虑）；采用Link10 单元来模拟主缆和吊索（附加质量采用增大材料密度的方式来加以考虑）；采用MASS21 单元来模拟防撞护栏、检修道护栏、桥面铺装、索夹、锚头、横隔板、冰荷载等的质量及其质量惯性矩。然后用对其进行模态分析，计算桥梁的气动力特性。在此基础上，采用大型通用有限元程序 ANSYS 的模态分析模块进行动力特性分析。施工阶段 90%加劲梁吊装完成阶段实体化的普立特大桥的有限元模型如图 4.1 所示，未实体化的有限元模型如图 4.1 所示。

结论

本文主要对斜拉索的覆冰型式，覆冰斜拉索CFD数值模拟，以及覆冰主梁的气动力特性进行风洞试验进行研究。通过查阅国内相关文献，以及做覆冰试验，确定了3主要的斜拉索覆冰型式，以及2种主要的主梁覆冰型式。并对其分别进行数值模拟以及风洞试验，最终得出不同覆冰型式对桥梁气动力特性的影响。本文的主要结论如下：
（1）斜拉索的三种主要覆冰型式：A 型覆冰，离散冰棱；B 型覆冰，非均匀扩径；C 型覆冰，类似轴向流冰布。并且归纳总结出各种形式的几何特征尺寸。
（2）针对斜拉索的三种主要覆冰型式，建立拉索覆冰后的有限元模型，并对其进行 CFD 数值模拟，计算各种风攻角的升力系数和阻力系数，根据覆冰拉索的的升力、阻力系数的计算值，作出覆冰拉索的气动力系数的高次多项式曲线，并拟合出静气动力系数与风向角之间的高次多项式。
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参考文献（略）