大跨窄钢桁梁悬索桥气动性能研究

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1、大跨窄钢桁梁悬索桥气动性能研究1绪论1.1钢桁架悬索桥的发展随着西部大开发的深入，交通成为了制约西部地区经济发展的主要因素，而桥梁是西部交通建设中的一个重要环节。西部地区的地形特点是，地形起伏变化较大，很多道路需要跨越峡谷、水库，地质条件比较复杂，山区交通极不便利。一般的桥梁建设需要比较大的机械吊装和施工场地，在山区，这些条件很难满足，这就给山区桥梁的建设带来了很多困难。钢析架悬索桥由于其跨越能力较强，造价低廉；结构构件简单、轻便、易于标准化；构件容易运输，便于用悬吊法吊装，不受季节、航道、地形的影响，逐渐成为

2、了西部地区跨越比较大山区地形首要选择。从1931年美国建成首座跨度超过千米的华盛顿大桥开始，钢衍架悬索桥进入了一个高速发展的时期。同时期，美国又修建了主跨为705米的奥克兰海湾桥西桥和主跨1280米金门大桥，1957年修建了主跨1158米的麦基诺海峡大桥，1964年修建的主跨1298米的维拉扎诺大桥再一次刷新了钢析架悬索桥的主跨跨度记录。在欧洲，最早的大跨度钢桁架悬索桥是在1959年建成的主跨为608米的坦卡维尔桥，该桥首次将主缆与加劲梁在跨中固结，增加了桥梁的稳定性。1964年修建了主跨跨度超过1000米的福

3、斯公路桥，桥面板采用了正交异形板。之后欧洲的大跨度桥梁慢慢的朝扁平箱梁作为加劲梁的方向发展。日本的大跨度桥梁在20世纪80年代为发展的高峰期，以本四联络线为代表，先后修建了主跨770米的因岛大桥和主跨560米的大岛大挢。1998年，日本修建了世界上最大跨度主跨为1991米的明石海峡大桥。这些桥梁设计受美国工程师的影响，都采用了钢桁架加劲梁作为主梁。..1.2风对桥梁结构的作用作用在桥梁上的风荷载由平均风作用、脉动风作用及结构惯性动力作用叠加而成。从工程抗风设计的角度上面来讲，可以把自然风分为不随时间变化的平均风

4、和随时间变化的脉动风的叠加，分别考虑其对桥梁结构的作用[。风对桥梁结构的作用是非常复杂的，它受到风的自然特性、桥梁结构的动力特性以及风与结构共同作用三方面的制约。结构对外界风的响应一般分为静力和动力两大方面。静力风荷载是平均风作用下的静风压力，当结构刚度较大且几乎不振动，或结构虽有轻微振动但不显著影响气流经过桥梁的绕流形态，因而不影响气流对桥梁的作用力，此吋风对桥梁的作用可以近似看作为一种静力荷载。风对桥梁的作用力分为竖向、横向和扭转三个方向，通常用静力三分力系数来表示。静力作用可以引起桥梁结构产生结构内力和变

5、形；引起桥梁的静力失稳，如扭转发散和横向屈曲[：。典型的例子是1879年，Tay桥在暴风的作用下连同正在桥上行驶的列车被风吹跨坠落河中。当气流绕流过非线型断面的桥梁结构时，会产生流动的分离和镟祸的脱落，形成复杂的空气作用力，尤其对于大跨度桥梁来说，刚度较小，阻尼也比较小，振动容易得到激发。风的动力作用诱发柔性桥梁结构发生变形或振动，而这种变形或振动相当于气体边界条件的改变，从而引起作用于结构气动力发生变化，气动力的变化又会使桥梁结构产生if的变形或振动，形成了风与结构的相互作用机制。桥梁结构的空气弹性动力响应又

6、可分为两大类：一类是处于气流中的结构由于自身振动而从流体中吸收能量，从而使其振动幅度逐渐增大，这种属于自激形式的振动，如颜振、驰振及祸激振动；另一类是由受结构运动状态影响很小的气动力诱发，使得结构发生类似于强迫形式的振动，如各种类型的抖振。其中颤振和抖振是大跨度桥梁最主要的两种风振稳定性问题。1940年塔科马大桥的风毁事故就是颠振振动导致结构发生蛇形共振，风能战胜了钢的烧曲变形，挢梁结构中的钢梁发生断裂，最后桥梁被吹毁[5]。..2CFD数值模拟基本原理及颤振导数识别原理2.1流体动力学基本方程本文中所研究的问

7、题只是简单的流场作用力问题，所选用的流体为空气，在模型中没有空气的压缩，空气的密度不会变化，也忽略了空气中能量的交换，所以可以不考虑能量守恒方程。流体计算中有一些比较复杂的问题，例如流体的入口速度随着位置的不同成一定的规律变化，或者是在流场中要实现模型随着时间的变化在不停的运动。这时候就需要采用FLUENT中的非平稳流场进行分析。有时候FLUENT中自带的定义方法无法满足用户的需要，这就需要用户自己去编写程序，然后导入到FLUENT中的UDF模块，对相应的边界运动进行定义，让其按照需要的方式进行运动。当边界运动

8、时，由于边界条件的改变，计算区域也发生变化，这时候之前的网格就不能够再继续计算运动后的模型，需要重新划分网格，这就要用到动网格技术了。动网格就是在边界变化后，计算机根据新的边界条件划分新的网格。假如将连续运动的过程分解为多个子运动步，那么就是每个子运动步后网格都会重新划分，这些都是由计算机根据FLUENT中的相关设置自动完成。在定义动网格运动时，既可以让整个区域网格重新划分，也可以设置