变截面钢箱梁涡激振动相关特性研究

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随着现代连续梁桥跨度增大且采用的材料多为钢材,导致结构变柔、阻尼变小,连续钢箱梁桥的抗风问题成为桥梁设计中必须要考虑的因素。由于大跨度连续钢箱梁桥常常采用墩顶加高的变截面形式,导致断面相对于单一的扁平钢箱梁截面更加复杂。本文以某变截面连续钢箱梁桥跨中、四分点和支点三种不同腹板高度断面模型作为研究对象,通过风洞试验和数值模拟的方法对变截面钢箱梁不同腹板高度下断面的涡激振动特性和静气动力特性进行了研究。首先对跨中扁平钢箱梁断面进行了节段模型风洞试验,通过改变模型的振动机制,分别将模型进行固定状态下和振动状态下的风洞试验,以此来研究在不同振动机制下断面的风压分布规律,并探究振动机制对于箱梁结构绕流场特性的影响;在此基础上,通过将腹板加高分别模拟变截面钢箱梁四分点和支点断面的截面形式,以研究腹板高度变化对于钢箱梁绕流场特性规律的影响,并通过数值模拟的方法深入分析了腹板高度及梁底线形变化对变截面连续钢箱梁桥静气动三分力系数的影响;最终,为研究箱梁展向相关性的影响因素,通过分别改变模型的振动机制、增加腹板高度、变换折减风速等控制变量分析在不同工况下模型展向相关性的变化规律,以此探究振动机制、箱梁外形、涡振振幅等因素对展向相关性的影响,并以实验分别验证气动措施和机械措施的抑振效果,提出了合理的涡振抑振措施。研究发现,变截面连续钢箱梁桥不同断面模型绕流场及涡激振动相关特性受振动机制和腹板高度影响较大;变截面连续钢箱梁桥不同断面模型风压和气动力展向相关性受紊流度、振动机制、折减风速和涡振振幅、腹板高度等因素影响较大,且涡振锁定区间内风压展向相关性系数表现出在涡振振幅上升阶段及涡振振幅峰值阶段明显高于其他涡振阶段的趋势,其中振幅上升阶段的展向相关性系数最大;对于变截面钢箱梁梁底线形为与水平线夹角较大的斜线或为抛物线时,在数值模拟时对应的计算模型梁底线形应与实桥保持完全一致以提高工程精度;通过分别对不同位置断面处的节段模型进行抑振措施试验,发现单纯适于扁平钢箱梁的气动抑振措施不适于应用在变截面钢箱梁桥中,采取机械措施增加阻尼比可以达到良好的抑振效果。本文通过对变截面钢箱梁关键位置断面的相关流场特性规律进行初步探索,对于变截面桥梁的三维风压变化及涡振特性规律的进一步研究具有重要价值。在以往学者的基础上,通过对展向相关性的影响因素进行了探讨和验证,并研究了振动机制和桥梁断面外形的变化对于模型展向相关性的影响规律,从涡振评估的现状来看,对于准确预测主梁的涡振振幅具有重要意义。提出适用于变截面钢箱梁桥的涡振抑振措施,对于实际工程具有重要参考价值。
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