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大跨度桥梁气动力非线性和涡激振动的CFD研究

石亚光  
【摘要】:大跨度桥梁跨度的进一步增大使得结构刚度和阻尼不断减小,结构对风致振动更加敏感,加之大幅运动和大攻角等导致气动力的非线性特性也更加明显。涡激振动是常见的桥梁风致振动形式,常发生在较低风速下。虽然涡激振动不会导致结构的直接破坏,但是其发生风速低、发生概率大,可能对桥梁结构的疲劳性能及行车舒适度都会产生较大的影响。本文以大跨度悬索桥常用的扁平钢箱梁为例,采用CFD方法开展了气动力非线性和涡激振动研究。本文的主要工作总结如下:(1)阐述了计算风工程流体运动的基本控制方程和常用湍流模型;介绍了控制方程离散的常用空间及时间离散格式和数值实现。(2)以大带东桥为工程背景,采用数值方法,模拟不同雷诺数下的桥梁断面静止绕流。计算结果并与已有研究对比验证了数值模拟结果的可靠性,研究了大带东桥断面的雷诺数效应;基于CFD流动可视化给出了桥梁断面周围流场的特征。(3)采用Volterra级数理论和CFD方法识别了扁平箱梁断面的非线性气动力系统的一阶核,建立了反映扁平箱梁气动力系统特性的离散时间气动力模型。研究表明扁平箱梁断面气动力的高阶非线性效应小,也即为弱气动力非线性系统。(4)采用FLUENT动网格技术,基于Newmark-β法建立了结构涡激振动的数值模拟方法。得到了大带东桥第八阶涡激振动的完整锁定曲线,并分析了涡激振动的影响因素。对Scanlan经验线性模型及Scanlan经验非线性模型进行参数识别,评价两种涡激力模型的合理性和可靠性。


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