大跨度懸索橋分離式雙箱梁渦激振動研究

大跨度懸索橋分離式雙箱梁渦激振動研究大跨度與超大跨度橋梁是人類橋梁科技水平的標(biāo)志，不斷地突破橋梁跨徑的極限是人類追求的目標(biāo)。大跨度與超大跨度橋梁柔性大、阻尼小，是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，甚至風(fēng)效應(yīng)往往成為橋梁設(shè)計(jì)的控制因素。為了保證超大跨度橋梁的顫振穩(wěn)定性，目前主梁多采用分離式雙箱梁的斷面形式。雖然分離式雙箱梁能夠獲得更高的臨界顫振風(fēng)速，但由于空隙的存在，而使得箱梁周圍流場異常復(fù)雜。其中最為明顯的是由于空隙的影響，使得分離式雙箱梁渦激振動比較明顯。本文基于風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場原型監(jiān)測研究大跨度懸索橋分離式雙箱梁繞流場特性和渦激振動特性。首先，對空隙比L/D=1.710分離式雙箱梁節(jié)段模型進(jìn)行靜力風(fēng)洞試驗(yàn)，深入分析靜止分離式雙箱梁箱梁低雷諾數(shù)下表面風(fēng)壓分布特性、周圍流場旋渦脫落特性和流場結(jié)構(gòu)特征，揭示低雷諾數(shù)下無附屬結(jié)構(gòu)分離式雙箱梁繞流場流體流動規(guī)律；進(jìn)一步對L/D=1.710分離式雙箱梁節(jié)段模型進(jìn)行動力風(fēng)洞試驗(yàn)，深入分析分離式雙箱梁渦激振動特征和振動時繞流場特性，得到渦激振動幅值、流體旋渦脫落頻率隨折減風(fēng)速的變化規(guī)律以及渦激振動全過程流場結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；再以空隙比L/D=1.710分離式雙箱梁渦激振動位移為邊界條件，運(yùn)用大渦模擬數(shù)值計(jì)算方法得到渦激振動過程中分離式雙箱梁周圍的流場渦核結(jié)構(gòu)，揭示流體與結(jié)構(gòu)運(yùn)動間能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。其次，研究上下游箱梁間空隙寬度對分離式雙箱梁周圍流場和渦激振動影響規(guī)律。通過分析不同空隙比下靜止分離式雙箱梁的風(fēng)壓分布特征、旋渦脫落特征和流場結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)隨著上下游箱梁間空隙比的變化，流態(tài)將發(fā)生突變并且突變的臨界點(diǎn)具有雷諾數(shù)效應(yīng)；根據(jù)突變前、后流體旋渦脫落模式的變化，得到不同空隙比下分離式雙箱梁周圍流態(tài)模式；通過分析不同空隙比下結(jié)構(gòu)振動特征，揭示分離式雙箱梁渦激振動形式隨空隙比的變化規(guī)律。第三，研究分離式雙箱梁周圍流場和渦激振動的雷諾數(shù)效應(yīng)。通過深入分析不同雷諾數(shù)下L/D=1.710靜止分離式雙箱梁表面壓力分布特征、斷面氣動力特征、周圍流場旋渦脫落特性和流場結(jié)構(gòu)特征，建立前沿分離泡長度與阻力系數(shù)和旋渦脫落頻率間的關(guān)系，揭示雷諾數(shù)對分離式雙箱梁繞流特征的影響機(jī)制；研究分離式雙箱梁渦激振動的雷諾數(shù)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)渦激最大振動幅值隨著雷諾數(shù)增加而增加。第四，研究多種附屬結(jié)構(gòu)對分離式雙箱梁繞流場特性和渦激振動的影響規(guī)律和機(jī)理。通過風(fēng)壓分布特征、旋渦脫落特征，揭示附屬結(jié)構(gòu)對分離式雙箱梁繞流場的擾動機(jī)理和對激振動特征的影響。最后，在某大跨度分離式雙箱梁懸索橋上建立一套完善的風(fēng)場、風(fēng)荷載和風(fēng)效應(yīng)長期監(jiān)測系統(tǒng)，包括：風(fēng)場監(jiān)測系統(tǒng)、箱梁表面風(fēng)壓場監(jiān)測系統(tǒng)、橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動監(jiān)測系統(tǒng)和分離式雙箱梁周圍流場結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)?；诒O(jiān)測系統(tǒng)得到的大量實(shí)測數(shù)據(jù)，深入分析橋址處自由風(fēng)場特性、分離式雙箱梁下表面風(fēng)壓分布特性以及現(xiàn)場原型分離式雙箱梁頻率特性、流場結(jié)構(gòu)特征和渦激振動特性，發(fā)現(xiàn)該懸索橋自由風(fēng)場具有展向不均勻特性，并且這種不均勻性對現(xiàn)場原型橋梁渦激振動具有重要的影響；得到現(xiàn)場原型橋梁繞流場特征，獲得現(xiàn)