分体式双箱梁涡激振动性能及其流动机理研究
分体式双箱梁断面因其优良的颤振稳定性，是超大跨度桥梁的首选断面形式。然而由于分体式双箱梁断面中央开槽处复杂的流动及上下游断面显著的流动干扰，使得该类断面会出现明显的涡激共振问题，严重影响行车的安全舒适度，一定程度上限制了分体式双箱梁的推广应用。为此，国内外学者开展了很多风洞试验及数值模拟研究，但已有这些研究多局限于具体的某座桥梁工程，缺乏对涡振流动机理的深入认识，因此尚不能全面理解分体式双箱梁的涡振特性，对工程实践的指导意义也有限。近年来，随着现代计算能力的逐步提升以及相关流体数值模拟软件的不断发展，采用计算流体动力学方法（ComputationalFluidDynamics，CFD）分析桥梁气动特性的研究越来越广泛。因此，本文采用风洞试验与数值模拟相结合的方法系统地研究分体式双箱梁涡振性能及其流动机理，提出可面向工程应用的评估方法。这对认识分体式双箱梁涡振特性，以及拓展其工程应用均具有十分重要的意义。 本文首先回顾了大跨度桥梁结构抗风研究进程，梳理了包括串列圆柱、串列方柱和分体式双箱梁桥梁在内的典型分体式断面气动特性的研究方法及研究成果。根据前期对已建成和在建中的大跨度分体式双箱梁桥的调研结果，设计了三种常见分体式双箱梁中央开槽间距，并考虑不同断面形状的影响，基于风洞试验和数值模拟方法展开了一系列试验和理论研究，揭示了中央开槽间距及断面切角形式变化等多种工况下分体式双箱梁的流场结构、气动力特性和涡振响应等机理问题。本文的主要研究内容有： （1）以串列方柱为研究对象，采用大涡模拟方法详细研究了双涡脱流场形态下串列方柱的流场结构特征和气动力特性，分析了不同切角率对断面气动力的影响及其流动机理，发现了由切角优化所产生的切角分离泡流动现象，揭示了切角分离泡会对串列方柱气动力会产生显著影响。从流场形态的角度，定义了串列方柱断面的尾流宽度。串列方柱断面的气动力与尾流结构近似呈线性关系，表明气动力与尾流结构密切相关，尾流宽度可以作为从流场形态中直观判断串列方柱断面气动性能的依据。这为后文研究分体式断面涡振特性及其流动机理奠定了基础。 （2）在上述基础上，为便于工程应用，本文基于SSTk-ω湍流模型，采用二维数值模拟方法对上述串列方柱绕流特性气动力特性进行了研究，并与上述三维大涡模拟结果进行了对比分析。结果表明，基于二维SSTk-ω湍流模型获得的串列方柱平均和脉动气动力、旋涡脱落频率、上下游柱体的气动力相位差、尾流结构等关键气动特性和流场形态与上述三维结果基本一致。这表明基于SSTk-ω湍流模型的二维数值模拟方法同样具有适用性。 （3）从串列4∶1矩形断面出发，通过依次对顶板、外侧腹板以及中央开槽内侧腹板的切角处理，分别形成三种分体式断面；同时在总结实际工程中常用中央开槽间距范围的基础上，确定了以上四种分体式断面的开槽间距范围。通过节段模型风洞试验，研究了四种断面在不同开槽间距下的平均气动力及竖向涡振响应特性，分析了切角措施及开槽间距对断面的流场形态、气动力特性和涡振响应的影响。结果表明在相同中央开槽间距下，串列矩形断面涡振响应最大，通过对矩形断面的上顶板和斜腹板进行切角优化能够一定程度改善断面的涡振性能。四种分体式断面的阻力系数均随着间距的增加而增大；相对于钝体断面，流线型断面工况的升力系数对中央开槽间距更为敏感，其升力系数随着间距的增加而增大。此外，采用二维数值模拟方法研究了这四种分体式断面的气动力特性和绕流特性，分析了断面涡振的流动机理。结果发现，对于具有双涡脱流场形态的分体式断面，其涡振时断面绕流形态与静态断面绕流形态高度相似，且静态断面脉动升力与其最大竖向涡振振幅存在正相关性。基于此，本文针对具有双涡脱流场形态的分体式断面，以静态断面脉动升力、开槽间距以及质量阻尼系数为参数，提出了一种快速评估此类分体式断面最大竖向涡振响应的方法。 （4）针对分析式流线型箱梁断面，采用二维数值模拟方法，重点研究了内切角度对分体式双箱梁气动特性的影响。研究发现较小开槽间距下分体式双箱梁存在不良内切角，因此补充了开槽间距LG=1.5D及LG=1.75D（D为断面高度）时30°~90°五种内切角度研究该现象的变化情况。当LG=1.5D时，内切角α=60°时断面涡振性能最差；当LG=1.75D时，不良内切角为α=75°。说明分体式双箱梁断面的不良内切角度数随开槽间距增大而增加。当LG=2.5D时，不良内切角现象消失。 （5）在上述研究的基础上，综合考虑断面栏杆、隔涡板等附属结构的影响，研究了成桥态分体式双箱梁的涡振性能，并针对涡振性能最优的断面进行了颤振稳定性分析。结果表明增设栏杆后分体式双箱梁断面的涡振性能变差。通过对三组隔涡板布置方式的主梁断面流场分析发现，开槽上部布置隔涡板时抑振效果最佳。最后为完善断面整体抗风性能的研究，考察了开槽上部布置隔涡板时分体式双箱梁主梁断面的颤振稳定性，结果表明考虑栏杆及隔涡板影响后的分体式双箱梁成桥态断面仍旧具备良好的颤振稳定性能。
分体式双箱梁;涡振性能;流场形态;中央开槽间距;内切角度;涡振响应快速评估方法;风洞试验;数值模拟
西南交通大学
博士
桥梁与隧道工程
廖海黎;周强
2022
中文
U441.3
2022-12-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）