板桁结合加劲梁悬索桥风荷载试验与数值模拟研究

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随着我国交通基础设施建设的进一步推进,跨江海、山区峡谷大跨桥梁建设越来越多,风荷载往往成为大跨度桥梁设计的控制因素之一。目前,大跨度桥梁抗风设计时多侧重于风垂直于桥轴线的情况,而关于斜风作用下的情形则考虑相对较少。论文以岳阳洞庭湖二桥为工程背景,对斜风作用下大跨度悬索桥板桁结合加劲梁风荷载进行试验和数值模拟研究;考虑风偏角效应,对大跨度悬索桥风荷载作用下的内力和位移进行了计算,并与规范方法进行比较;最后对板桁结合加劲梁与板桁分离加劲梁的颤振稳定性进行了比较,主要研究内容与成果如下:(1)通过加劲梁节段模型测力试验,研究了加劲梁成桥状态和施工状态横桥向三分力系数及顺桥向阻力系数随风攻角、风偏角的变化规律,探讨了补偿段模型长度对试验测试的影响。拟合得到了板桁结合加劲梁成桥状态和施工状态顺桥向阻力系数随风偏角变化的表达公式为:Cfr(β)=0.016+0.03sin(2.3β-25°)和Cfr(β)=0.010+0.03sin(2.3β-25°),并针对顺桥向风荷载试验结果与各国规范取值进行了比较分析。(2)采用计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),对板桁结合加劲梁三分力系数的二维简化模拟方法进行了研究,通过对沿加劲梁桥轴线不同位置处横断面模型的三分力系数模拟结果与试验值比较发现:加劲梁标准节间长度1/3~2/3范围内断面模型的数值模拟结果与试验值吻合较好。(3)采用计算流体动力学方法(CFD),对板桁结合加劲梁在斜风作用下的静气动力系数进行三维数值模拟研究。分别探讨了板桁结合加劲梁简化方法、加劲梁模拟长度、网格类型及湍流模型等对静力气动力系数计算结果的影响。将加劲梁各二维断面模型流场结果与三维数值模拟同位置断面的流场剖面结果进行对比,结果表明:加劲梁节间中部处二维断面模型周边的涡量、速度与压强分布情况与三维数值模拟加劲梁同位置处的分布情况吻合较好。(4)以岳阳洞庭湖二桥为工程依托,分别采用本文提出的板桁结合加劲梁气动力系数拟合公式和规范推荐方法进行了该桥静风荷载内力及位移计算,发现部分关键位置内力及位移响应在斜风作用下更加不利,故对大跨度钢桁加劲梁桥梁进行静风荷载响应分析时,建议考虑风偏角的影响。最后,对板桁结合加劲梁与传统板桁分离加劲梁的颤振稳定性进行节段模型试验研究,发现两者的颤振失稳临界风速和发生攻角存在较大的差异。
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