钢桁拱桥吊杆涡激振动仿真分析

现代结构向长、柔、细、弱阻尼方向发展，涡激振动问题越来越受到结构工程师的关注。涡激振动发生的风速较低，频度大，会对结构造成疲劳损伤，影响耐久性，给养护带来极大麻烦。 本文对计算流体力学软件FLUENT自主进行了二次开发，扩展了FLUENT的功能。将振动方程的数值方法Newman法代码嵌入FLUENT软件中，建立了非定常钝体绕流粘性不可压缩流体的流固耦合数值模型，使之可以进行涡激振动仿真计算。本文对南京大胜关大桥吊杆进行涡激振动仿真计算，求出其最大振幅，锁定风速区间，设计出具有良好气动性能的截面并辅以增加阻尼装置以减小涡激振动的影响，具有非常重要的工程实用价值。本研究工作内容和主要结论为： 1．研究改善结构气动力性能的方法。顺桥向来风时，长方形截面，切角长方形截面，圆角长方形截面的涡脱落规模依次减小，升力依次减小。其中圆角长方形截面的最大振幅和锁定区间均小于切角长方形截面。 2．分析比较了抑制涡激振动的方法。首先考虑优化结构截面形状，在此基础上考虑增加结构阻尼。通过增加结构阻尼的方法可以抑制涡激振动。结构阻尼不但对涡激振动振幅大小有影响，也会对锁定风速区间有影响。随着阻尼的增加，结构最大振幅减小，所俘获的涡脱频率的范围较小，锁定区间的长度相应较小，当阻尼增大到一定值后，锁定风速区间消失。 3．分析了风偏角对结构气动性能的影响。单根杆件，对于切角长方形截面，顺桥向来风时升力系数最大，随着风偏角的增加，升力系数有减小的趋势。横桥向来风时升力系数最小。对于圆角长方形截面，攻角的变化对升力系数的影响比较复杂，不是一种单调线性趋势。 4．研究了两根杆件气流的相互影响。对于切角长方形截面，在单根杆件分析中，顺桥向来风是最不利风向，最大振幅达1m。但考虑了前面杆件尾流的影响后，最大振幅减小到25cm。随着风偏角的增加，后面杆件受前面杆件尾流影响有减小趋势，当风偏角达到20度后，与单根杆件绕流情况相似。 5．分析了脉动风场对结构的影响。相对结构固有频率，当脉动风场周期较小，频率较大时。升力系数峰值恒定不变。对应一个主要频率；当脉动风场周期较大，频率较小时。升力系数峰值呈周期变化，对应多个主要频率，其涡激振动最大振幅小于均匀来风。 6．将二维涡激共振达到稳态振幅后的涡激力作为简谐荷载加到三维杆件模型上进行了谐响应分析，得到与二维涡激振动相吻合的最大振幅。运用了软件WORKBENCH和CFX建立三维柱体流固耦合模型，进行吊杆三维涡激振动初步分析，计算得到起振风速时的振幅。 通过风洞试验和仿真计算可以得到以下结论： 本文数值仿真结果与节段模型风洞试验吻合良好。仅通过优化截面的形状截面来完全抑制涡激振动是很困难的，需辅以增加阻尼装置的措施。对于长方形截面，切角长方形截面和圆角长方形截面完全抑制涡激振动需增加的阻尼数量逐渐减小。单从增加阻尼的数量来看，圆角长方形截面方案优于切角长方形截面方案。若从制造便利考虑，长方形截面加阻尼装置方案最好。