【摘 要】
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随着我国科技的进步和“一带一路”等国家重要战略的实施,到目前为止我国已经建设了许多千米级的悬索桥和斜拉桥,可以预见的是在未来我国将建造更大跨度的桥梁,然而随着桥梁跨度的增大,桥梁结构刚度越来越小,面临着严峻的桥梁颤振稳定性问题。为了保证桥梁的颤振稳定性和静风稳定性并增加桥梁结构的交通运载能力,意大利墨西拿大桥首次提出三分体式钢箱梁设计方案,我国新西堠门公铁两用大桥和桃夭门公铁两用大桥同样采用三分体
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随着我国科技的进步和“一带一路”等国家重要战略的实施,到目前为止我国已经建设了许多千米级的悬索桥和斜拉桥,可以预见的是在未来我国将建造更大跨度的桥梁,然而随着桥梁跨度的增大,桥梁结构刚度越来越小,面临着严峻的桥梁颤振稳定性问题。为了保证桥梁的颤振稳定性和静风稳定性并增加桥梁结构的交通运载能力,意大利墨西拿大桥首次提出三分体式钢箱梁设计方案,我国新西堠门公铁两用大桥和桃夭门公铁两用大桥同样采用三分体式钢箱梁的设计方案并已经开始建设。虽然三分体式钢箱梁中间的两个间隙使其拥有非常优越的颤振稳定性,但是间隙中的流场会非常复杂,可能会表现出较差的涡激振动性能。本文基于风洞试验和CFD数值模拟对施工状态下的三分体式钢箱梁的涡激振动性能和其周围流场特性进行研究。本文主要的研究工作及成果如下:（1）采用风洞试验和CFD数值模拟的方法对大倒角三分体式钢箱梁静力三分力系数进行试验和计算模拟,并对比了风洞试验结果和CFD数值模拟结果,最后分析了静止状态三分体式钢箱梁-3、0和+3三个攻角下周围流场特性。风洞试验结果表明:大倒角三分体式钢箱梁的阻力系数随攻角的增大表现出先减小后增大的趋势,阻力系数最低点在+7攻角附近;升力系数试验结果表现出随攻角增大而增大的趋势;力矩系数试验结果表现出随攻角增大而减小的趋势。数值模拟结果表明,在-3～+3攻角范围内有较好的可靠性,在大攻角下与风洞试验结果相差较大,原因可能是选取的湍流模型对间隙引起的气动干扰无法真实模拟导致较大的误差。（2）对圆弧形、大倒角和小倒角三种不同内侧腹板形式的三分体式钢箱梁进行1:60缩尺比节段模型风洞测振试验。试验结果表明,在低风速下三种断面在-3、0和+3三个攻角均观察到振幅较大的竖向涡激振动现象,圆弧形断面在-3和0攻角发生扭转涡激振动现象,两个直角形断面均未发现扭转涡激振动现象。（3）对小倒角三分体式钢箱梁断面进行了1:60和1:30两种缩尺比节段模型风洞试验。结果表明:三分体式钢箱梁的涡振区间随雷诺数的增加而延后,涡振最大振幅随雷诺数的增加而增加,表现出了和扁平钢箱梁不同的雷诺数效应。（4）采用CFD数值模拟方法,基于SST k-ω模型结合动网格技术实现了小倒角三分体式钢箱梁涡激振动的数值模拟,并在最大振幅对应风速下进行了静止绕流计算。通过与风洞试验结果的验证证明了CFD数值模拟对三分体式钢箱梁涡激振动计算的可靠性。结果表明:在三分体式钢箱梁振动过程中气动力存在着非线性成分。在结构涡激振动稳态振幅下,上游箱梁顶底板后缘产生周期性交替脱落的旋涡并被中间箱梁底板捕获产生再附着现象进而产成周期性的涡激力,这也是引发三分体式钢箱梁竖向涡激振动的原因。在三分体式钢箱梁在静止状态下,中间箱梁顶板前缘发生流体流动分离产生旋涡并再附着现象,而底板未出现上游箱梁脱落的旋涡再附着现象。
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