典型桥塔断面非定常与非线性驰振力的数值模拟研究

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1、分类号:U44，U4510710-2015121130硕士学位论文典型桥塔断面非定常与非线性驰振力的数值模拟研究段永锋导师姓名职称李加武教授申请学位级别硕士学科专业名称桥梁与隧道工程论文提交日期2018年4月16日论文答辩日期2018年5月10日学位授予单位长安大学NumericalSimulationStudyonUnsteadyandNonlinearGallopingForceofTypicalBridgeTowerSectionADissertationSubmittedfortheDeg

2、reeofMasterCandidate：DuanYongfengSupervisor：Prof.LiJiawuChang’anUniversity，Xi’an，China摘要一直以来，桥塔驰振的研究主要沿用从覆冰导线的横风向舞动现象中归纳总结的准定常理论，并且驰振稳定性验算也多局限于线性气动力作用下的初始失稳判别。这种处理方式虽然得到了推广应用，但其对驰振力的考虑忽略了实际绕流非定常效应的影响。近来，有学者抱着对准定常理论存疑的态度，通过风洞试验发现，准定常理论对于驰振稳定性的估算往往偏于不利，

3、并且试验所得响应也更多地表现为“软”驰振的形式。本文在总结驰振研究现状的基础上，以工程上常见的典型桥塔断面为研究对象，通过数值模拟方法对其非定常与非线性驰振力进行了分析与讨论。本文主要研究内容如下：（1）论述了基于线性气动力模型的准定常驰振理论与非定常驰振分析方法。通过Taylor多项式展开建立了一种基于非定常分析方法的非线性驰振力模型，并给出了相应的参数识别方法。针对所建立的非线性驰振力模型，提出并推导了驰振响应求解方法，并通过算例优化了求解参数。（2）针对几类典型的桥塔断面形式，通过FLUEN

4、T分别计算了其静止与振动状态下的气动力，并基于线性驰振力模型获得了相应的准定常与非定常线性驰振力系数。对比两者发现：无量纲风速较小时，准定常驰振力系数远小于非定常驰振力系数；随着风速的增大，两者渐趋一致。最后，从涡量的角度，分析了准定常与非定常驰振力系数异同的原因。（3）分析了方形断面不同风速与振幅时气动力的频谱特征，发现风速越大、振幅越大时，气动力的高频成分越明显。采用两种振幅时的气动力时程分别拟合了本文非线性驰振力模型参数，发现两者不相同。由两组非线性驰振力参数所求解驰振响应的不同得出，将强迫

5、振动法所识别的非线性驰振力参数用于求解驰振响应不可行，并分析了原因。最后，抛开强迫振动法所的非线性气动力用于求解驰振响应的合理与否，从系统阻尼的角度，分析了非线性气动力各分项对系统响应的作用。关键词：桥塔，驰振，准定常理论，“软”驰振，非定常，非线性，典型桥塔断面，数值模拟，驰振力参数，涡量iAbstractAllthetime,thestudyongallopingofbridgetowermainlyfollowsthequasi-steadytheorysummarizedfromthetr

6、anslationalvibrationoficedconductors,alsothestabilitycheckingofgallopingismostlylimitedtotheinitialinstabilitydiscriminationundertheactionoflinearaerodynamicforce.Althoughthismethodhasbeenwidelyapplied,itignorestheunsteadyeffectofflowsaroundbody.Recen

7、tly,dubiousofthequasi-steadytheory,somescholarsfoundthattheestimationsofthegallopingstabilitythroughquasi-steadytheoryareoftenonthesideofdisadvantagesandtheresponsesoftheexperimentaremorecharacterizedbytheformof"soft"gallopingthroughwindtunneltests.Af

8、terthesummarizationofcurrentstatusofgallopingresearch,takingthetypicalbridgesectioninengineeringastheresearchobject,thisdissertationhasanalyzedanddiscussedtheunsteadyandnonlinearcharacteristicsofgallopingforcethroughnumericalsimulationmethods.