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典型钝体断面涡激力特性及其跨向相关性研究

王孝楠  
【摘要】:涡激振动致振风速较低,是一种常见的限幅振动,容易引发桥梁结构疲劳破坏、行车舒适性等问题。本文研究的主要问题是钝体断面的涡激力特性及其跨向相关性。流体经过钝体在壁面发生旋涡脱落引起涡激振动。由于流固耦合问题的复杂性,难以获得理论上的解析解,尚未得到充分的认识。目前,针对涡激振动的研究方法主要包括建立简化模型、计算流体力学、风洞试验和现场实测。工程实践过程当中通常利用节段模型的风洞试验做为评价桥梁结构涡振性能的主要手段。然而节段模型试验未能将涡激振动三维效应和结构振型的影响纳入到考量范围内,鉴于对该问题尚未得到统一的认识,故在桥梁设计当中仍将涡激力视为沿跨向完全相关,从而在判断涡振响应的过程当中偏于保守。本文选取矩形和梯形两种典型钝体断面进行研究,通过测量节段模型表面风压系数,分析了涡激力在截面上的分布状态和沿跨向的相关性。主要内容包括:(1)回顾了桥梁风工程早期的发展历程,并简要总结和梳理了涡激振动的研究方法及研究进展,列举了巴西里约-尼特罗伊桥、英国第二赛文桥等曾发生过涡激振动的工程实例,并介绍了部分具有代表性的抑振措施。(2)从二维和三维两个角度介绍了涡激振动的现象和问题。对雷诺数、气动外形、湍流特性、Scruton数等涡激振动的重要影响因素分别展开讨论,对钝体绕流中的三维涡脱现象进行了系统的整理,总结了涡激振动三维分析方法的相应成果。(3)制作了宽高比B/D=5的矩形模型和梯形模型,在弹性悬挂和多点加载两种支撑方式下,使用电子压力扫描阀测量模型表面风压系数。详细研究了两种模型风压系数均值、均方根值和功率谱密度沿截面的分布情况,得到涡激力的分布状态。提出了一种判别流动分离点和再附点的方法,从侧面探究了流场尾流。并在此基础上将模型钝体表面分为回流区、主涡区、再附区和尾流区分别研究其风压特性。(4)在涡激力二维分布状态的基础上,研究了不同区域内涡激力的跨向相关性。利用多点加载系统控制振动形式,研究频率和振幅对涡激力的影响,并拟合了涡激力的相关函数。本文通过对两种典型钝体断面涡激振动的风洞试验研究,分析了钝体断面表面风压系数和涡激力与尾流内流场形态的关系和特性,研究了涡激力的跨向相关性并拟合了相关函数,对进一步优化大跨度桥梁抗风设计,合理计算涡激力和涡振响应有一定借鉴作用。


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