文献综述-基于涡激振动的一个桥梁两步计算分析方法

附 录 基于涡激振动的一个桥梁两步计算分析方法 在桥梁结构抗风设计中，符合实际的初步做法是进行风动实验测试，然而为了预测大跨度桥梁由于漩涡摆动的非正常风荷载的动态效应，提出了一种高效的两步计算方法。通过对风结构相互作用问题的解耦，首先进行流体动力学分析计算，利用桥面的二维模型对作用于桥面的非定常风荷载进行评估。其次，进行非定常风荷载下的三维桥梁结构动力分析，以此来探讨桥梁涡激振荡。现行的计算分析和风洞测试的结果得到较好的一致性。虽然建模过程中引入的各种假设对于增强计算方法应该是合理的，在进行严格的风洞试验之前，它可 作为桥梁的初步设计支持工具，以此来对桥梁由于漩涡激励的非定常风荷载引起的动力响应进行评估。 大跨度桥梁的阻尼和刚度相对于短、中跨度的桥梁来说都比较小。因此，大跨度梁对丝束频率力敏感，如风荷载。所以，评估如涡激振动，颤振等空气动力学现象对静态结构所承担的设计风荷载的安全来说是必要的。目前，对这些结构的程序设计，结构的风力特点和空气动力稳定性评价，主要是靠采用节段模型或全桥模型进行风洞试验来实现的。风洞试验通常需要几个星期或数月的测量和分析，从时间和金钱方面来衡量，花销的成本相当大。随着计算机能力的迅速发展以及 物理建模和计算方法的日益完善， 在过去的 10年以来， 计算风工程的进展出现了快速增长的趋势，有望支持或取代一部分昂贵和费时的风洞试验。 即使目前的超级计算机，计算风工程中的应用已不被认为可行的，因为在风工程所涉及流雷诺数无法准确测到，就是说紊流准确的预测超出了高端计算机的能力。此外，在评价桥梁等实际复杂结构的风致振动的风力和结构之间的互动现象，还有许多没有解决的问题。因此，迄今为止大多数风工程计算的研究，侧重于对紊流模型的和 非定常风力的计算方法 ，风和结构相互作用问题的发展和改进。 弗兰卡（ 1991年）和罗迪，加藤 （ 1993年）和 屋等人工智能（ 1996年）在湍流模型改进方面做出了许多努力。穆拉卡米（ 1994年）（ 1996年）总结了计算流体力学应用于风工程的快速增长， 对包括科模型，雷诺应力模型和动态大涡模拟中的应用于结构的风效应和预测湍流模式的新趋势做出了说明。休斯和詹森（ 1993年）审核了各种计算方法，毕业设计（论文） 51 包括任意的拉格朗日 限元计算方法的应用，而野村（ 1993年） 使用 低雷诺数的简单悬臂结构 进行了非定常风荷载和涡激振荡的分析 研究。目前，计算风工程理论在桥梁结构方面的部 分应用也得到证实。藤原等人（ 1993年）给出了实际的桥面结构在低雷诺数的情况下的计算结果。之后，黑田等人（ 1996年）报告了在雷诺数为 500000的大贝尔特东桥模型静力系数的计算结果，其中采用了有限差分程序。科瓦奇等人（ 1996年）利用数学的方法模拟了斜拉桥和悬索桥在风荷载作用下产生的非线性振动特性。拉森（ 1996年）报道取得了实际的桥梁梁段在为 104的情况下，利用离散涡方法对 获取的气动数据 进行空气动力学分析的计算方法。扬等人（ 发了一个修正谱的表示方法，以便能使用特定谱密度函数对大跨度桥梁的 展向风湍流场进行分析。 丁（ 1997年）提出了一种新的有限元方法对用于构筑物上的非定常风力法进行计算分析，并研究了四边锥柱体和大桥节段的动力系数。虽然雷诺系数为 验段的计算结果与风洞测量的实际数据相当接近，但大桥节段模型在雷诺系数为 0的 7次方时的计算结果与风洞实验实测的数据差别很大。拉森和瓦尔特 (1996 年 ) (1997 年 ) 和拉森 (1997 年 ) 使用一种粘性离散涡方法模拟以前的构筑体的流体效应，包括多座桥的桥梁节段。他们介绍了使用弹性悬索 节段模型对第一座塔科马海峡大桥进行实验，结果发现实验数据与桥梁的涡激反应有比较好的模拟结果。拉森等人 （ 1998年）提出了更多自我激励的双桥面和多桥面板的结构的气动力模拟复杂的离散涡方法，并提出了用桥面板宽度参数来对双桥面板的气动导数进行多项式表达式，以此来预测一座双面板桥梁的气弹性失稳。谢尔文（ 1998）提出了一种采用有限元方法的高效大涡模拟模型，并采用二维和三维网格对大贝尔特东引桥周围的流体效应进行了研究。三维的计算结果与风洞测量数据吻合的比较好，而阻力系数采用二维网格计算的比风洞测量的精度高得多。 黑 田（ 1998年）提出了使用 纳维 - 斯托克斯（ 程为二维不可压缩粘性流进行流场数值模拟的分析方法，并探讨大贝尔特东桥断面在雷诺数为 3105时的桥梁气动特性。其静力系数的计算结果与风洞测试数据相一致。 2000年）和 2000) 和 板颤振的发生频率 和 用 定常气动力系数 进行评价。 就作者的知识可以达到的边际来说，在文献中有 关实际桥结构的非定常毕业设计（论文） 52 湍流计算作品和桥梁的风致振动计算作品都很少，因 为计算非定常风荷载的结构振动的实际雷诺数在 0到 10的 7次方或更高内波动。 1996年）（ 1997年）报告了使用计算方法来预测在所设计的高雷诺数范围内的非定常风荷载及涡激振动以及对真正桥梁结构采用两阶段的方式来完成 文致力于继续研究，以提出一个有效的二步计算方法来预测大跨度桥梁在非定常风荷载引起的漩涡激振的动力响应。文章前部分的重点是通过计算流体力学来对非定常风荷载预测的，但侧重点是放在对两步计算方法和使用的桥梁风荷载计算的非定常结构动力响应分析。在下面的部分，对两 个步骤的基本概念和计算方法进行简要描述。在第 3部分，简要讨论了典型大跨度桥梁的计算流体动力学分析方法，如 西海岸斜拉桥，浦项桥 等。在第 4部分，描述了桥在非定常风荷载的三维结构模型的动态结构响应。在最后一部分 总结，并讨论了此方法的缺陷和对计算方法提出了展望。 要评估桥梁结构由漩涡流引起的动力特性，重要的是不仅要准确地预测非定常风荷载的大小和频率，而且对结构的振荡振幅要准确预测和计算。当风荷载频率接近结构的固有频率时，结构往往会发生共振现象导致结构振幅变得极大。因此，从设计的观点来看，计算分析的重点问题是预测 风速造成的桥梁结构的共振和 共振结构的振幅 。对于风与结构相互作用的准确预测，涡流与结构的耦合问题可以进行相关分析，如通过 1993年野村和 1997年丁所提出） 。然而， 前，用像 为桥梁结构的实际模型非常复杂，设计时在高雷诺数情况下要计算其风作用的效应需要大量的计算时间。 为了克服目前的计算的困难，一个使用的计算方法是对风与结构的相互作用的实际模型进行简化假设。振荡幅度 小于结构尺寸的 10的时结构周围风流引起的结构振动是不显著的（库普曼在 1967年所提出）。由于结构振荡超出结构尺寸的 10时即 超出使用极限和正常状态 的安全系数， 在大多数工程问题下，桥梁断面的安全性 都是通过实际空间的假设来进行 流体动力学（ 算所确定的。基于这个概念，作者提出了一个在所设计的雷诺数范围内的实际的两步计算方法，进行风和结构的解耦以便来预测实桥结构的不稳定风荷载和涡激振荡。这个两步骤计算方法的解决方案如图 1所示，第一步，利用 ，对桥面的非定常风荷载进行预测；第二步，利用结构商业分析软件，如 第一步所预测的结构所受非定常风荷载的动力毕业设计（论文） 53 效应分析计算。每一步的详细过程和分析结果在接下来的的章节中描述。在本研究中，虽然侧重于两步计算方法的叙述和桥梁结构动力响应预测的介绍，但在整个计算过程中对 表 国内部分桥梁挂篮表 桥名 最大跨度 / 最大段重 挂篮类型 挂篮重 / 平衡重 挂篮总重 / 梁段 广西柳州大桥 124m/92t 平行桁架式 0t 2t =建乌龙江大桥 144m/132t 平行桁架式 90t/无 90t/120t =汉江汉二桥 135m/132t 平行桁架式 6t 32t =南常德原水大桥 120m/160t 平行桁架式 166t/无 166t/160t =西红水河铁路斜拉桥 96m/100t 平行桁架式 77t/无 77t/100t =门峡黄河公路大桥 160m/弦无平衡重式 98t/无 98t/庆长江北大桥 /144t 三角型组合梁式 0t 44t =塘江二桥（公路） 80m/190t 三角型组合梁式 190t/160t =北沙洋汉江桥 111m/100t 三角型组合梁式 56t/50t 106t/100t =南珠海湘江大桥 90m/101t 滑动斜拉式 01t =北襄樊汉江长虹大桥 100m/动斜拉式 九铁路泰和赣江特大桥 80m/140t 菱形 40t =门大桥辅航道桥 270m/弦式 业设计（论文） 54 表 吊锚材料及复核表 作用及位置 选用吊杆吊带的种类