【摘要】：隨著橋梁跨度增加,結(jié)構(gòu)將變得越來(lái)越柔,其剛度大幅度降低,此時(shí)風(fēng)荷載成為跨度橋梁主要控制荷載之一。在研究結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載時(shí),三分力系數(shù)是計(jì)算橋梁風(fēng)荷載的基礎(chǔ),也是研究橋梁風(fēng)工程的一個(gè)重要參數(shù),其值的變化曲線與結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載有密切關(guān)系。當(dāng)前研究橋梁三分力系數(shù)不外乎有兩種方法:一是利用實(shí)橋節(jié)段模型試驗(yàn),利用風(fēng)洞試驗(yàn)獲取橋梁的三分力系數(shù),但風(fēng)洞試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高昂以及觀察流程困難等缺點(diǎn);二是通過(guò)CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,可以粗略得到橋梁的三分力系數(shù),還可以得到截面周圍的流場(chǎng)分布特性,即流場(chǎng)可視化。CFD技術(shù)常用于橋梁初步設(shè)計(jì)階段,提取橋梁的氣動(dòng)力參數(shù),為風(fēng)荷載設(shè)計(jì)提供參考,另外CFD就是與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合,已經(jīng)成為研究橋梁風(fēng)工程的一種有效手段。本文以某變截面連續(xù)鋼箱梁為研究背景,其主要內(nèi)容如下:(1)首先介紹了計(jì)算流體力學(xué)的基本理論,包括流體定義、控制方程、網(wǎng)格分類、湍流模擬方法和湍流模型等。再以某跨涯連續(xù)鋼箱梁為依托工程,分別用ANSYS和Midas計(jì)算主梁的自振頻率和振型,得到了主梁的頻率和振型分布規(guī)律,同時(shí)把兩款軟件模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到它們低階的自振頻率相差不大,也說(shuō)明了用魚(yú)梁式方法來(lái)代替復(fù)雜鋼箱ANSYS建模是可行的。(2)利用CFD技術(shù)研究依托工程在線性變截面段,其截面變化形式與靜力三分力系數(shù)之間的關(guān)系。在變截面段選取9個(gè)截面,用FLUENT計(jì)算各截面在-12°~12°攻角下的三分力系數(shù),一共計(jì)算117個(gè)工況,得到了各截面在不同攻角下的三分力系數(shù),同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)截面高度線性變化時(shí),在0°攻角下,各截面的阻力系數(shù)、升力系數(shù)呈一定的變化規(guī)律,而扭矩系數(shù)的則無(wú)明顯變化規(guī)律,還研究了各截面在??2攻角下的三分力系數(shù)的變化規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬得到了截面流場(chǎng)的壓強(qiáng)分布圖、流速分布圖以及流線分布圖。從得到結(jié)果分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了CFD在計(jì)算流體力學(xué)方面的優(yōu)越性。(3)最后,本文得到依托工程的等效風(fēng)荷載近似計(jì)算公式,將等效風(fēng)荷載分為平均風(fēng)荷載、背景風(fēng)荷載、慣性風(fēng)荷載,然后,通過(guò)簡(jiǎn)化得到主梁在最大單懸臂狀態(tài)和最大雙懸臂狀態(tài)下的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)的計(jì)算公式,以便于實(shí)際工程的等效風(fēng)荷載計(jì)算。同時(shí)計(jì)算了成橋狀態(tài)在橫橋向和順橋向加載下,四個(gè)關(guān)鍵截面的位移和內(nèi)力,以及求解主梁在雙懸臂和單懸臂狀態(tài)下各響應(yīng)的值。
【圖文】：

此時(shí)風(fēng)荷載已經(jīng)成為控制橋梁向超大跨發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。風(fēng)害是人類生活中常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，它不僅給人們帶來(lái)了很大的生命威脅和財(cái)產(chǎn)損失，而且還造成了許多工程建筑的疲勞損傷和破壞，已經(jīng)嚴(yán)重影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)，但是我們對(duì)風(fēng)荷載的破壞卻毫無(wú)辦法[3]。在 1879 年，當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的泰伊鐵路大橋（英國(guó)）被颶風(fēng)吹毀，由此開(kāi)始，橋梁工程師意識(shí)到，在橋梁設(shè)計(jì)和施工中必須要考慮靜風(fēng)荷載作用。然而，，現(xiàn)代橋梁風(fēng)工程的研究是從塔科馬大橋開(kāi)始的，1940 年，剛建成通車的舊塔科馬大橋，在氣流經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)主梁出現(xiàn)出豎向的風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]記載，在風(fēng)速為2m/s 作用下，結(jié)構(gòu)的主跨就出現(xiàn)了劇烈的豎彎渦激振動(dòng)，當(dāng)主梁的振幅達(dá)到最大后，在主梁自身阻尼作用下就自行衰減。在建成通車四個(gè)月后，塔科馬大橋在約20m/s 的風(fēng)速作用下主梁發(fā)生嚴(yán)重的風(fēng)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象，吊索在最大扭轉(zhuǎn)幅度時(shí)被逐一拉斷，最終橋面結(jié)構(gòu)坍塌落到峽谷中，如圖 1.1 所示，塔科馬大橋的風(fēng)毀引起了各路研究者的強(qiáng)烈關(guān)注，加之在塔科馬大橋風(fēng)毀之前有多座橋梁毀于強(qiáng)風(fēng)，由此在土木工程界拉開(kāi)了橋梁抗風(fēng)的序幕。

18圖 2.1 湍流數(shù)值模擬方法Fig.2.1Classification of Turbulence Model2.3.4 湍流模型Reynolds 平均法通過(guò)引入新的湍流模型方程，使雷諾方程必須，并使之有解。在求解雷諾方程時(shí)通過(guò)引入渦粘模型，本小節(jié)將重點(diǎn)討論渦粘模型中兩方程模型里的標(biāo)準(zhǔn) k 模型、 RNG k 模型和 SSTk 模型。在渦粘模型計(jì)算中，不直接求解雷諾應(yīng)力項(xiàng)，而是通過(guò)引入渦粘系數(shù)。Boussinesq[42]提出了湍動(dòng)粘性函數(shù)來(lái)表示湍流應(yīng)力，并建立了雷諾應(yīng)力與平均速度梯度的關(guān)系。本文在計(jì)算橋梁截面三分力系數(shù)時(shí)，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)的 模型。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U441

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2623270