IEC阵风与紊流共同作用下钢箱梁桥气动力特性数值模拟

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现代桥梁轻柔的特点导致其对风荷载相当敏感,因此风荷载是桥梁设计时重点考虑的因素之一。特别是风中的紊流成分对桥梁的动力作用,是桥梁抗风研究中重点关注的问题。目前我国公路桥梁抗风规范中,规定利用静阵风系数来计算桥梁的横向静阵风荷载。基于此,本文以连续钢箱梁桥为例,研究分析其在IEC(International Electrotechnical Commission)阵风与格栅紊流共同作用下的气动力特性。本文研究的主要内容和得到的成果如下:(1)在Fluent软件中对圆柱、方柱和长方柱二维模型进行了CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟。进一步对二维桥梁断面进行了数值模拟,并将计算得到的三分力系数与风洞试验结果做对比。结果表明:本文数值模拟得到的结果与实验结果接近,本文所选用的紊流模型对这类二维计算模型的气动力可以比较准确地进行数值模拟。(2)本文数值模拟了两个被动格栅方案的三维紊流场。其中,方案一的监测面设置在距格栅大约6.7倍格栅板间距的下游流场处,方案二的监测面设置在距格栅大约13.3倍格栅板间距的下游流场处。通过在监测面上均匀布置监测点的方法,分别获得了监测面处的紊流强度、紊流积分尺度以及脉动风速功率谱。通过分析流场特性参数表明:方案一得到的紊流特性参数与风洞实验结果接近,验证了本文使用的方法数值模拟格栅紊流场的准确性。且两个格栅紊流场在其监测面所在位置处,均形成了较好的均匀紊流。(3)利用Fluent软件中的UDF(User Defined Function)接口,将格栅紊流场入口边界条件的速度定义为IEC阵风。并将三维桥梁节段模型放置于方案二的流场下游监测面处,计算得到桥梁断面在IEC阵风与紊流共同作用下的三分力系数时程数据。通过观察得到结论:在IEC阵风波峰附近三分力系数时程数据振幅较大,尤其是升力系数时程数据。且桥梁断面三分力系数时程曲线的计算值,相对于理论值出现了滞后的现象。(4)利用计算得到的三分力系数时程数据,求得桥梁断面在IEC阵风与紊流共同作用下的三分力时程荷载。将三分力时程荷载以节点动力荷载的形式,施加在通过有限元软件Midas建立的连续钢箱梁桥主梁有限元模型上。进一步对其进行动力响应分析,得到主梁上各控制截面处的竖向、横向以及扭转位移响应。得到结论:本文钢箱梁主梁上各截面处的竖向位移均大于横向位移,且各截面处的横向位移、竖向位移和扭转位移最大值出现的时刻,均滞后于IEC阵风理论值波峰。
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