桥梁主梁气动导纳的大涡模拟和试验研究

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桥梁主跨跨度的不断增大使得结构对风的动力作用变得更加敏感,大跨度桥梁的抖振研究也越加重要。气动导纳(AAF)的有效识别是预测桥梁抖振响应的关键。本研究集中于湍流风场的随机生成、桥梁基准模型气动导纳的风洞试验、桥梁主梁绕流的大涡模拟(LES)以及基于LES的典型桥梁主梁气动导纳的识别。主要工作和结论如下:为生成满足桥梁风工程大涡模拟要求的入口湍流风场,基于离散再合成的随机流动生成(DSRFG)方法合成了满足目标湍流度、积分尺度、脉动风速谱及空间相关性等参数的各向异性湍流;并以丹麦大带东桥桥址实测风特性为例,实现了节段模型风洞试验尺度计算域入口湍流的生成;研究了DSRFG方法生成湍流风场的主要参数的合理取值;基于Fluent软件平台,通过自主开发的用户自定义函数程序将生成的湍流风场赋值给LES的入口边界,研究了不同网格尺寸和时间步长取值下,入口湍流风场在计算域流向的变化规律。研究表明:DSRFG方法能生成满足桥梁LES模拟要求的指定湍流特性风场,产生的风场风谱和速度分量统计值与目标值吻合较好;入口湍流风场特性在计算域流向有较好地维持,脉动风谱在低频段与目标谱吻合较好,高频段出现稍微的衰减,采用精细的网格和较小的时间步长能够更好地模拟脉动风谱的高频部分。在风洞节段模型尺度上,建议LES入口边界至模型之间的无量纲网格尺度取0.02,无量纲时间步长不大于0.01,以保证湍流风场特性在计算域内的较好维持。开展了大带东桥加劲梁节段模型在不同风速、典型攻角、均匀流与湍流来流下的风洞测压试验,获得了断面压力系数平均值、均方根(RMS)值分布及断面气动力系数,分析了桥面中央和两侧防撞栏对这些气动特性,以及漩涡脱落的影响;研究了脉动压力的频域特征和空间相干性。结果表明:迎风侧边防撞栏栏杆显著改变了梁体上表面的压力系数平均值和RMS值的分布;典型攻角下裸梁具有单一漩涡脱落St数,且其值明显大于成桥状态;成桥状态主梁因桥面栏杆的影响呈现复杂的漩涡脱落特征,包括沿展向的差异性和多阶漩涡脱落;主涡脱对裸梁表面脉动压力的分布起主导作用,桥面栏杆将减弱主梁表面脉动压力的相干性和涡脱沿展向的同步性。开展了大带东桥加劲梁气动导纳的风洞试验研究,研究了抖振力的展向相关性,基于不同的方法识别主梁气动导纳并评价了各识别方法的有效性,研究了来流攻角和栏杆对气动导纳的影响。结果表明:来流攻角和桥面栏杆对抖振力的展向相关影响有限;阻力分量的展向积分长度与顺风向脉动风的湍流积分尺度接近,升力和扭矩展向积分长度远大于竖向脉动风的湍流积分尺度;自谱-交叉谱综合最小二乘法(CRLSMACS)能有效分离不同脉动分量对应的气动导纳,且基于识别的气动导纳反算的抖振力谱准确反映实际作用于桥梁断面的抖振力特性;在所研究的攻角范围内,主梁的气动导纳对攻角的变化不敏感。另外,带栏杆主梁的气动导纳值稍大于裸梁值。基于DSRFG方法生成入口湍流风场,开展了薄平板、大带东桥加劲梁和丹江水库桥主梁三种典型断面主梁的绕流场LES数值求解,基于CRLSMACS识别它们的气动导纳并进行了比较。薄平板断面气动导纳模拟值与Sears函数的吻合,验证了基于LES数值模拟方法识别主梁气动导纳的可行性。大带东桥主梁气动导纳模拟与试验值吻合较好,表明了本文方法的有效性。由于π形主梁与薄平板断面及大带东桥断面周围的流场和压力分布均存在很大的差异,识别的前者||~2和||~2大于后面两者。大跨度桥梁抖振分析采用Sears函数,可能显著高估或低估其抖振响应。本文研究能为LES入口湍流风场的生成和桥梁主梁气动导纳的LES识别提供重要参考。
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