大跨度悬索桥分离式双箱梁涡激振动研究.doc

大跨度悬索桥分离式双箱梁涡激振动研究大跨度与超大跨度桥梁是人类桥梁科技水平的标志，不断地突破桥梁跨径的极限是人类追求的目标。大跨度与超大跨度桥梁柔性大、阻尼小，是风敏感结构，甚至风效应往往成为桥梁设计的控制因素。为了保证超大跨度桥梁的颤振稳定性，目前主梁多采用分离式双箱梁的断面形式。虽然分离式双箱梁能够获得更高的临界颤振风速，但由于空隙的存在，而使得箱梁周围流场异常复杂。其中最为明显的是由于空隙的影响，使得分离式双箱梁涡激振动比较明显。本文基于风洞试验和现场原型监测研究大跨度悬索桥分离式双箱梁绕流场特性和涡激振动特性。首先，对空隙比L/D=1.710分离式双箱梁节段模型进行静力风洞试验，深入分析静止分离式双箱梁箱梁低雷诺数下表面风压分布特性、周围流场旋涡脱落特性和流场结构特征，揭示低雷诺数下无附属结构分离式双箱梁绕流场流体流动规律；进一步对L/D=1.710分离式双箱梁节段模型进行动力风洞试验，深入分析分离式双箱梁涡激振动特征和振动时绕流场特性，得到涡激振动幅值、流体旋涡脱落频率随折减风速的变化规律以及涡激振动全过程流场结构的变化规律；再以空隙比L/D=1.710分离式双箱梁涡激振动位移为边界条件，运用大涡模拟数值计算方法得到涡激振动过程中分离式双箱梁周围的流场涡核结构，揭示流体与结构运动间能量转换规律。其次，研究上下游箱梁间空隙宽度对分离式双箱梁周围流场和涡激振动影响规律。通过分析不同空隙比下静止分离式双箱梁的风压分布特征、旋涡脱落特征和流场结构特征，发现随着上下游箱梁间空隙比的变化，流态将发生突变并且突变的临界点具有雷诺数效应；根据突变前、后流体旋涡脱落模式的变化，得到不同空隙比下分离式双箱梁周围流态模式；通过分析不同空隙比下结构振动特征，揭示分离式双箱梁涡激振动形式随空隙比的变化规律。第三，研究分离式双箱梁周围流场和涡激振动的雷诺数效应。通过深入分析不同雷诺数下L/D=1.710静止分离式双箱梁表面压力分布特征、断面气动力特征、周围流场旋涡脱落特性和流场结构特征，建立前沿分离泡长度与阻力系数和旋涡脱落频率间的关系，揭示雷诺数对分离式双箱梁绕流特征的影响机制；研究分离式双箱梁涡激振动的雷诺数效应，发现涡激最大振动幅值随着雷诺数增加而增加。第四，研究多种附属结构对分离式双箱梁绕流场特性和涡激振动的影响规律和机理。通过风压分布特征、旋涡脱落特征，揭示附属结构对分离式双箱梁绕流场的扰动机理和对激振动特征的影响。最后，在某大跨度分离式双箱梁悬索桥上建立一套完善的风场、风荷载和风效应长期监测系统，包括：风场监测系统、箱梁表面风压场监测系统、桥梁结构风致振动监测系统和分离式双箱梁周围流场结构显示系统。基于监测系统得到的大量实测数据，深入分析桥址处自由风场特性、分离式双箱梁下表面风压分布特性以及现场原型分离式双箱梁频率特性、流场结构特征和涡激振动特性，发现该悬索桥自由风场具有展向不均匀特性，并且这种不均匀性对现场原型桥梁涡激振动具有重要的影响；得到现场原型桥梁绕流场特征，获得现场原型桥梁涡激振动发生的风场条件和振动特征；将原型桥梁的绕流场特征和涡激振动特征与风洞节段模型试验结果进行比较，对风洞试验进行验证。