基于涡激振动的一个桥梁两步计算分析方法.doc

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扒的设计风荷载的安全来说是必要的IT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-部分 昂贵和费时的风洞试验即使FI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Launder, 土屋等人工智能（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人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，包括任意的拉格朗H■欧拉（ALE）有限元计算方法的应用，而野村（1993 年）使用ALE有限元方法对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。

H前，计算风工程理论在桥梁结构方而的部分应用也 得到证实藤原等人（1993年）给出了实际的桥而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（i996年）开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1.2x10?时忽略其影响得到的模拟结果表明：试验段的计算结果与风洞测 量的实际数据相半接近，但大桥节段模型在雷诺系数为3.7x 10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而和多桥而板的结构的 气动力模拟复杂的离散涡方法，并提出了用桥而板宽度参数来对双桥而板的 气动导数进行多项式表达式，以此来预测一座双而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（Navicr-Stokes）方程为 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 而在雷诺数为3xlO5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Jeong （2000年）和Koh提交了一份关于在构筑结构中利用有限元 程序对旋涡流气动系数进行评价的报告oJeong （2000）和Kwon两人提出了用 数值方法来预测平板颤振的发生频率和用ALE有限元方法来对非定常气动力 系数进行评价。

就作者的他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 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Lee等人（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CFD分析和 逐步地进行结构分析本文致力于继续研究，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而 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。

半 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彖导致结构振幅 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ALL有限元方法（ 1993年 野村和1997年丁所提出）然而，ALE有限元方法已只是用来评价非定常风 力和简单构筑物在低雷诺数的涡激振荡H前，用像ALE方法来计算处理结 构和风流耦合问题的是不太现实的，因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H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，桥梁断而的安全性都是通过实际空间的假设来进行流体动力学（CFD）计算所确定的基于这个概念，作者提岀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CFD商业软件和CFDSFLOW3D软件来对桥梁断而周围的湍流进行 分析，对桥而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MSC /NASTRAN软件，对第一步所预测的结构所受非定常风荷载的动力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CFD分析程序和结果也进行了简要说表1.1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75.7t/30t105.7t/92t=1.15福建乌龙江人桥144m/132t平行桁架式90t/无90t/120t=0.75武汉江汉二桥135m/132t平行桁架式201.4t/86t287.4t/132t=2.18湖南常德原水大桥120m/160t平行桁架式166t/无166t/160t=1.04广西红水河铁路斜拉桥96m/100t平行桁架式77t/无77t/100t=0.77三门峡黄河公路大桥160m/187.7t平弦无平衡重式98t/无98t/187.7t=0.54重庆长江北大 桥/144t三角型组合梁式73.2t/40t113.2t/144t=0.79钱塘江二桥（公路）80m/190t三角型组合梁式190t/160t=1.19湖北沙洋汉江桥lllm/lOOt三角型组合梁式56t/50t106t/100t=1.06湖南珠海湘江大桥90m/101t滑动斜拉式46.2t/无31.5t/101t=0.31湖北襄樊汉江长虹人桥100m/104.6t滑动斜拉式32.4t/无32.4t/104.6t=0.31京九铁路泰和赣江特大桥80m/140t菱形46.8t/无46.8t/140t=0.331虎门大桥辅航道桥270m/240.5t弓弦式88.7t/无88.7t/240.5t=0.37表6.1巾锚材料及复核表作用及位置选用吊杆吊带的种类容许拉力(kN)承受的最大Nmax(kN)复核 情况内外膜拉杆(p32精轧螺纹钢筋550182.5满足要求内外滑梁与分 配梁的吊杆(p32精轧螺纹钢筋55059.1满足要求分配梁上部吊带5=40x120x2040(Q345)0.265x40x120=1272.00544.8满足要求分配梁下部吊杆螺杆(p30,L2500(40CrNiMo)550488.4满足要求分配梁下部吊带1主件5=12x130x980 (Q345)0.31x14x130=564.20488.4满足要求分配梁下部5=12x130x14800.31x14x130488.4满足吊带2主件(Q345)=564.20要求。