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斜拉索风雨激振的试验研究与数值模拟

陈文礼  
【摘要】:斜拉桥是大跨度桥梁结构的主要桥型之一,斜拉索是斜拉桥最关键的构件,但其在风或风雨联合作用下易发生多种形式的复杂振动,从而产生疲劳累积损伤、抗力衰减、并导致附属结构的破坏,极大地影响斜拉桥的服役安全和服役寿命。在斜拉索各种形式的振动中,拉索风雨激振仍是目前研究的热点;此外,随着斜拉桥跨度的增加,斜拉索的长度亦愈来愈长,考虑风速剖面的斜拉索风致振动也是桥梁工程研究的重要课题。本文首先采用风洞试验和CFD数值模拟系统研究斜拉索的风雨激振;然后采用CFD数值模拟方法研究考虑风速剖面的斜拉索涡激振动。本文主要研究内容包括: 首先,研究一套实时监测斜拉索风雨激振时其表面水线特征的超声波测厚系统,并分析其基本原理;分析系统采样频率、脉冲发射接收器的脉冲重复频率,斜拉索直径以及微型马达转速对超声波测试系统精度的影响;提出水线特征的反射面旋转测量法和反射面定点测量法;给出典型水线信号分析方法。 其次,进行斜拉索风雨激振风洞试验,监测斜拉索表面水线超声波信号;研究斜拉索水线超声波信号处理方法,揭示风雨激振过程中水线的变化规律;统计分析水线的几何特征和动力特征,包括几何形状、厚度、宽度、振荡的平衡位置、频率和幅值等。 第三,分析不同风速下斜拉索的上水线状态,揭示上水线状态与斜拉索风雨激振之间的关系;研究上水线几何特征与斜拉索风雨激振之间的关系;揭示斜拉索风雨激振与上水线振荡频率、振动幅值、平衡位置和相位之间的相关性;通过流体动力学边界层理论推导上水线和斜拉索之间的摩擦阻尼力,考虑脉动风的影响建立修正的上水线振荡分析模型,研究脉动风对上水线振荡幅值的影响,并与风洞试验结果对比,验证修正模型的正确性。 第四,提出物理试验与CFD数值模拟的混合子结构方法,分析其基本原理。通过与圆柱涡激振动的流固耦合方法结果进行比较,验证CFD数值模拟混合子结构方法的可行性;基于斜拉索风雨激振风洞试验,研究斜拉索风雨激振的CFD数值模拟混合子结构方法,分析斜拉索风雨激振的绕流场特性(包括气动升力系数和气动阻力系数及其变化规律和动力特性、风压场分布、尾流旋涡结构和脱落模式)、以及上水线对绕流场特性的影响,并与粘贴人工雨线的斜拉索风雨激振风洞试验结果进行对比,分析比较实际斜拉索风雨激振气动参数与粘贴人工雨线的斜拉索风雨激振气动参数的差异及其机理。 最后,采用有限元程序ANSYS和计算流体动力学程序CFX对考虑风速剖面的CFRP斜拉索涡激振动进行流固耦合方法的CFD数值模拟,斜拉索沿高度形成升力系数频率锁定与非锁定区域,分析升力系数,压强分布及旋涡脱落在频率锁定区与非锁定区域的变化规律。基于流固耦合方法的计算结果,研究考虑风速剖面的斜拉索涡激振动的CFD数值模拟混合子结构方法;分析比较该方法与流固耦合方法计算得到的斜拉索气动力的差异及其计算效率。


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