第一章 緒論

1.1 研究背景及意義
伴隨著現(xiàn)代科學技術(shù)日新月異的進步，新材料得到開發(fā)與應用，施工方法得以改進和完善，尤其是計算機技術(shù)與有限元分析方法的迅猛發(fā)展，以及分析理論的突破創(chuàng)新，使得橋梁的跨越能力越來越強，其中以斜拉、懸索體系為代表的大跨徑橋梁更是如雨后春筍，取得了高速發(fā)展。懸索橋的跨徑接近 2000 米量級，如丹麥大貝爾特大橋主跨 1624米，日本明石海峽大橋主跨 1990 米。斜拉橋跨徑已超過 1000 米量級，目前在斜拉橋中，日本的多多羅橋跨徑為 890 米，蘇通長江大橋跨度高達 1088 米。拱橋的跨徑也達到 550米量級。懸索橋和斜拉橋是通過纜索體系傳遞荷載，中承式和下承式拱橋也需要通過吊桿來傳遞主梁的主要荷載。纜索承受體系的安全性直接關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全，所以保證大跨徑索橋的纜索承重體系的安全，是建橋過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，意義重大。風致振動是威脅大跨徑索橋安全的重要因素：在冰凍氣候下，由于覆冰物改變了拉索和主梁的截面形狀，形成不穩(wěn)定的氣動外形，改變了拉索和主梁的氣動力特性，就很有可能引發(fā)橋梁的顫振，渦振，抖振和馳振等風致振動。這些風致振動如果不加以研究，并采取有效的抑振措施，就可能會嚴重威脅橋梁的安全，因此對覆冰索橋的氣動力特性，以及由此可能引發(fā)的風致振動進行研究非常必要。
.......

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.2.1 研究現(xiàn)狀
目前覆冰型式的研究主要集中于輸電線路導線的覆冰現(xiàn)象，橋梁方面鮮有研究，已有研究者對斜拉橋拉索的馳振特性進行研究，拉索覆冰研究文獻相對較少。但拉索的外形和導線相似，所以拉索的研究也可以借鑒導線覆冰的一些成果。Majid 在研究輸電線覆冰脫落對輸電線影響的同時，提及覆冰對輸電線馳振的影響。但他僅僅假定表面覆冰服從某一種型式，，也未見其進行輸電線覆冰型式的試驗。Yu 等人詳細闡述了輸電線的三維振動機理,但對于覆冰拉索氣動性能的研究仍然不足。馬文勇（2009）通過節(jié)段模型高頻天平測力風洞試驗，計算了準橢圓形和扇形兩種代表性覆冰導線的氣動力系數(shù)均值、均方根值。馬文勇（2010）通過剛性節(jié)段模型高頻天平測力風洞試驗，對圓形截面、裸導線截面及 6 種不同類型的準橢圓形覆冰線氣動力特性進行了研究，討論了紊流度、風向角、覆冰飽滿度、覆冰厚度等因素對導線氣動力特性的影響以及準橢圓覆冰導線馳振穩(wěn)定性的一般規(guī)律。馬文勇（2012）采用剛性節(jié)段模型高頻天平測力風洞試驗測試了不同紊流度下的 8 種扇形薄覆冰導線氣動力，得出了紊流度的增加提高了可能的馳振臨界風速，因此高紊流度對馳振有一定的抑制作用的結(jié)論。劉小會（2011）進行了覆冰四分裂導線的氣動力特性試驗以及氣彈模型試驗，進行了氣彈模型試驗并與數(shù)值分析方法進行了比較，驗證了數(shù)值分析方法的正確性王昕（2011）、樓文娟（2011）進行了均勻流和均勻紊流下 D 型覆冰和新月形覆冰的單導線氣動特性風洞試驗；進行了雙分裂和四分裂新月形覆冰導線的氣動特性測試，得出了分裂導線整體氣動力系數(shù)受到子導線的相互干擾更為嚴重的結(jié)論；并進行了雙分裂和四分裂新月形覆冰導線的氣彈模型試驗，并與數(shù)值分析進行了比較。樓文娟（2011）分別對新月形覆冰輸電導線、安裝擾流防舞器的無覆冰輸電導線及安裝 3 種不同直徑的擾流防舞器的新月形覆冰輸電導線，進行剛性足尺截斷模型天平測力風洞試驗，并對繞流防舞器的舞動控制效果進行了研究。
.......

第二章 斜拉索覆冰型式的試驗研究

2.1 斜拉索覆冰試驗
為了解斜拉索的常見覆冰型式，進行本次斜拉索結(jié)冰試驗。試驗需要統(tǒng)計出各種覆冰型式的幾何特征尺寸，然后總結(jié)出幾種常見的分類及其幾何特性，從而為橋梁的抗風性能研究提供必要的參數(shù)和分析，便于橋梁的設計和施工。為了研究拉索的覆冰特性，選擇了兩種拉索的直徑，兩個傾角，制作拉索剛性節(jié)段模型。模型試驗在野外進行，環(huán)境溫度為-5°C 至-10°C，設置簡易霧狀灑水裝置，降水量為 7mm（小到中雨降水等級），模擬低溫環(huán)境的降水，但因環(huán)境無固定風向的自然風，所以本次覆冰試驗沒有模擬風對覆冰型式的影響。青海哇加灘黃河特大橋的跨徑布置為（104+116+560+116+104）m，采用典型的“PI”型加勁梁，拉索保護套筒直徑是 120mm、160mm。青海哇加灘黃河特大橋建立在青海省的東部，海東地區(qū)和黃南藏族自治州，屬于典型的中國西部高寒山區(qū)，頻繁發(fā)生的災害性氣候，使得橋梁抗風問題更為復雜化。為正確評價大橋在施工、運營階段的抗風安全性能，有必要開展有關(guān)抗風專題研究，而斜拉索覆冰型式以及拉索馳振特性的研究是其中的重要部分。
........

2.2 試驗結(jié)果
通過斜拉索覆冰試驗，總結(jié)出斜拉索的三種主要覆冰型式：A 型覆冰，離散冰棱；B 型覆冰，非均勻擴徑；C 型覆冰，類似軸向流冰分布。如下圖 2.2 所示：本章以青海哇加灘大橋為實例，進行斜拉索覆冰試驗。通過本次試驗，總結(jié)出斜拉索三種主要覆冰形式：A 型覆冰，離散冰棱；B 型覆冰，非均勻擴徑；C 型覆冰，類似軸向流冰布；同時統(tǒng)計各種形式的幾何特征尺寸，分析出一個較為合適的尺寸，能夠為橋梁的抗風性能研究提供必要的參數(shù)和分析，以便于橋梁的設計和施工。A 型覆冰的特征：A 型覆冰是離散的冰棱，影響該類覆冰的氣動參數(shù)大小有最長及最短冰棱的直徑，單位長度的冰棱根數(shù)。單位長度冰棱的根數(shù)越多，冰棱間距越小，阻風面積越大，阻力系數(shù)相對較大。試驗結(jié)果表明，冰棱最長達到拉索直徑的 1.6 倍，最短也會達到拉索直徑的 0.6 倍。
.......

第三章 覆冰斜拉索的數(shù)值模擬........22
3.1 計算方法 .......22
3.2 計算原理 .......23
3.3 計算工況和網(wǎng)格劃分 .....23
3.4 數(shù)值模擬計算 .....23
3.5 小結(jié) .........39
第四章 覆冰主梁的風洞試驗研究....41
4.1 橋梁結(jié)構(gòu)動力特性 ....41
4.2 覆冰主梁的風洞試驗...... 43
4.2.1 D 型覆冰節(jié)段模型測力風洞試驗 ......... 43
4.2.2 D 型覆冰節(jié)段模型測振風洞試驗 ......... 47
4.2.3 E 型覆冰節(jié)段模型測力風洞試驗.... 56
4.2.4 E 型覆冰節(jié)段模型測振風洞試驗.... 57
4.3 小結(jié)......... 61

第四章 覆冰主梁的風洞試驗研究

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)動力特性
橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性分析，是橋梁風振的氣動力特性研究的基礎，計算各種設計方案、各狀態(tài)下的動力特性，能夠為風洞試驗節(jié)段模型的設計和制作提供依據(jù)。本節(jié)具體采用 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析軟件分析程序計算 。下文普立特大橋為例簡單介紹普立特大橋（主跨為 628m）的動力特性分析采用有限元分析方法，首先結(jié)構(gòu)離散，然后施工階段使用倒拆法進行分析，按加勁梁吊裝完成比例劃分為：30%加勁梁吊裝完成階段，70%加勁梁吊裝完成階段，90%加勁梁吊裝完成階段，成橋階段及施工階段均有考慮冰荷載與不考慮冰荷載兩種工況。根據(jù)普立特大橋的結(jié)構(gòu)特點，在保證其質(zhì)量和剛度不變，即與保持實橋一致，然后建模，其建模的具體步驟如下：采用 Beam4 單元來模擬加勁梁、索塔（塔柱及上下橫梁）、承臺、剛臂等，在施工階段加勁梁節(jié)段之間采用鉸接（附加質(zhì)量采用增大材料密度的方式來加以考慮）；采用Link10 單元來模擬主纜和吊索（附加質(zhì)量采用增大材料密度的方式來加以考慮）；采用MASS21 單元來模擬防撞護欄、檢修道護欄、橋面鋪裝、索夾、錨頭、橫隔板、冰荷載等的質(zhì)量及其質(zhì)量慣性矩。然后用對其進行模態(tài)分析，計算橋梁的氣動力特性。在此基礎上，采用大型通用有限元程序 ANSYS 的模態(tài)分析模塊進行動力特性分析。施工階段 90%加勁梁吊裝完成階段實體化的普立特大橋的有限元模型如圖 4.1 所示，未實體化的有限元模型如圖 4.1 所示。

結(jié)論

本文主要對斜拉索的覆冰型式，覆冰斜拉索CFD數(shù)值模擬，以及覆冰主梁的氣動力特性進行風洞試驗進行研究。通過查閱國內(nèi)相關(guān)文獻，以及做覆冰試驗，確定了3主要的斜拉索覆冰型式，以及2種主要的主梁覆冰型式。并對其分別進行數(shù)值模擬以及風洞試驗，最終得出不同覆冰型式對橋梁氣動力特性的影響。本文的主要結(jié)論如下：
（1）斜拉索的三種主要覆冰型式：A 型覆冰，離散冰棱；B 型覆冰，非均勻擴徑；C 型覆冰，類似軸向流冰布。并且歸納總結(jié)出各種形式的幾何特征尺寸。
（2）針對斜拉索的三種主要覆冰型式，建立拉索覆冰后的有限元模型，并對其進行 CFD 數(shù)值模擬，計算各種風攻角的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，根據(jù)覆冰拉索的的升力、阻力系數(shù)的計算值，作出覆冰拉索的氣動力系數(shù)的高次多項式曲線，并擬合出靜氣動力系數(shù)與風向角之間的高次多項式。
............
參考文獻（略）