空间网格人行拱桥数值风洞模拟及风振响应分析

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随着经济的快速发展和人们对精神追求的提高,旅游业以及景区的建设步伐加快,兼具沟通园路、观景平台以及游乐设施的玻璃景观人行桥越来越多,多建造于风环境复杂的悬崖峭壁以及视野开阔的海边景区。这类桥梁结构往往具有迎风面积大、质量轻盈、刚度小、阻尼低、自振频率低等特点,结构的固有频率与风的卓越频率接近,结构设计时往往由风荷载来控制,桥梁风致振动问题突出。
  目前国内外虽然对桥梁结构的抗风研究较为深入,但是绝大部分均是针对常见的大型运输桥梁、混凝土箱梁桥、钢管混凝土拱桥等,而对人行景观桥的抗风研究较少。本课题研究的结构为国内唯一一座全钢结构空间网格玻璃拱桥,对于此特殊结构的抗风性能研究较少,规范中也并未给出此类型拱结构的风荷载特性,无法为设计提供依据。
  本文基于桥梁风工程以及流体力学理论,将网格尺寸、湍流模型、壁面粗糙度作为变量进行数值风洞模拟,定性地得出不同参数对数值模拟结果的影响。通过对数值模拟中壁面粗糙度的参数化分析可知:随着壁面粗糙度的增大,背风面的涡旋增多,建筑背风面所受风吸力增大。湍流模型SSTk-w以及壁面粗糙度为0.1时,数值模拟与试验结果吻合较好。
  基于FLUENT软件,对椭圆形、圆形、矩形截面的拱形桥梁进行了数值模拟,并给出各类型的体型系数,并且研究了拱顶外凸观景平台对结构表面风荷载特性的影响。通过分析可知:抗风性能最好的为椭圆形,依次为圆形、矩形;拱顶观光平台的存在可以有效地减小拱上下侧面的风吸力,尤其是对平台附近作用明显。
  利用MATLAB编程得到脉动风速时程数据,采用时域法,利用有限元分析软件ABAQUS对空间网格拱桥进行风振响应分析,建议该结构的风振系数取值为2.0;对人行桥的舒适度做出评价,提出景观人行桥的加速度限值可适当放宽至0.3m/s2。
  本文对空间网格拱桥的表面风压特性、风振响应的研究,为这类结构的相关标准的制定及结构的抗风设计提供了参考,同时拓展了结构的风荷载模拟在计算机中的应用。
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