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虎门大桥风动,虎门大桥异常抖动背后

关键词:虎门大桥 来源:神速兔游记 发布时间:2023-02-01 15:47:35

虎门大桥

【一】虎门大桥突如其来的特殊震动

作为虎门大桥的设计者之一,西南交通大学土木匠程学院教授郑凯峰大学,经过互联网发表自己的见解。他觉得,这次震动特别大的原因,是最近修桥施工,在桥面两边接近护栏处设置了隔离带(别名“水马”),穿梭车的流线型梁体——异型风嘴流场边界比较陡峭(一排马),在特殊的风场效果下,桥体形成涡激振动。

激动之余,身为CAEer的我,心里一定有疑惑。这种颤抖怎样模拟剖析呢?本文将从自然风的特质、结构本身的动力特质、风的彼此影响三个方面介绍

风对结构影响的复杂流固耦合情况和结构。

【二】自然风特质

风是因为大气中热力和动力条件的时空不平均性,由同一高度两点之间的压力差引起的。

在接近地表的一定范围内,因为摩擦阻力的存在,平均风速会伴随高度的降低而降低,靠近地表时风速靠近于零表面。当高度在1000~2000m之间时,表面摩擦阻力的影响基本消失。此时风速趋向于恒定。在这个高度之下是大气边界层。大气边界层的厚度由风力、地势粗糙度和纬度决定。当然。

边界层内的风速随高度增加而加大,边界层顶部的风速值叫做梯度风速。

在边界层中,当风受到结构的妨碍时,其动能的一部分会转变为效果在结构上的力。这个力就是我们一般所说的风荷载。作用在结构上的风荷载随空间位置的变化而变化,并受时间过程的影响,是一种非定常随机荷载。大量实测数据表示,风速时程曲线包括两个分量,即周期大于10分钟的长周期分量和周期仅几秒的短周期分量。所以,在研究中,自然风常被认定为长周期平均风和短周期脉动风。近地风的基本特征能从之下两个方面进行描绘:

1.梯度高度下的平均风速

,因为地表摩擦力的影响,风速随高度增加而降低。随高度变化的平均风速成为风速剖面。现在工程上常用的风速廓线模子有两种,即指数律和对数律。为了使用方便,中国标准选择指数规律:

平均风速也随时间变化,一般采用统计意义上的平均风速:

2.脉动风速

脉动风速的空间有关性用功率谱的相关函数表示:

脉动风速的时间变化相对复杂,不便在时域中描绘。一般,它是在频域中描绘的。即用反应脉动风速变化频度特性的脉动风速谱表示。常用的风速谱有:水准脉动风速谱:达文波特谱、冯卡曼谱和西缪谱;垂直脉动风速谱:Panofskyspectrum和Lumley-Panofskyspectrum。

VonKarman谱:

Davenport谱:

Simiu谱:

Panofsky谱:

Lumley-潘诺夫斯基谱:

【三】结构振动特质

结构的振动模态可以分成常微分方程表示的弥散模态和偏微分方程表示的持续模态,按照结构可以简化为杆、板等。在工程中,通常是持续模子,对于偏微分方程非常难获得详细的表达式。须要用一定的分散办法把其化简为常微分方程求解。最常用的方法是模态色散和有限元色散。下图显示了桁架桥的有限元模子。

【四】风对结构的影响

因为近地边界层湍流的影响,风的速度、风向和空间分布具有不稳定性和随机性。当平均风携带波动的风绕过通常为悬崖横截面的桥梁结构时,会形成涡流和气流分离,然后形成复杂的空气动力,这会导致桥梁结构振动,而桥梁结构的振动反来会影响水流领域,转变空军。所以,风对结构的影响十分复杂,大体可以分成静风回应、涡激振动、疾驰、颤振和抖振五种类型白璧无瑕。

1.静态风回应和静态风回应注意风荷载引起的结构屈曲问题。风荷载一般用风压系数的方式表示,即三分力系数。一般FLUENT可以直接监测三分力系数。以阻力系数设置为例,下图为详细的参数设置和求解结果。

升力系数:

阻力系数:

升力力矩系数:

之后可以获得顺风力,侧风力和旋转扭矩,当中α是攻角。

获得静风荷载后结构的静态变形和屈曲可以根据一般材料力学进行分析。

2.涡激振动

粘性流体中存在两种不同的流动状态:

a.

湍流:复杂的、不规则的、随机的不稳定活动。在钝体周围流动分离、非定常涡降等复杂情况下,一般采用雷诺数作为判断流动状态的标准。

涡激振动时,流体的动压是效果在弹性系统上的外载荷,但动压的大小在于振动的位移、速度和加速度。弹性系统;另一方面,流体动压会转变弹性系统振动的位移、速度和加速度。所以涡激振动是流体与弹性系统在惯性、阻尼和刚度方面的耦合振动。

涡激振动的一般回应可以用下图表示,f0为结构的固有频度,fn为固定圆柱的涡降频度,fw为涡降涡激振动的频度。从图中能发现,当涡流落下频度接近结构固有频度时,结构“瞄准”涡流落下频度,在目标区间内,涡流落下频度基本维持不变,在目标区间,振幅快速增加,或许造成结构失稳。

静态绕圆柱流动、垂直流动方向单自由度振动绕圆柱流动、双自由度振动绕圆柱流动流动方向和垂直流动方向的自由度振动。这三种工况下的流场并不都是一致的。因此,这三种工况下的流体能量模子也各不相同。不同的流体能量表达式可以获得不同的涡激振动模式。要是不考虑风荷载与结构的耦合,可以采用结构动力学中求解受迫振动的办法来求解。为了考虑结构的附带质量、附带刚度和附带阻尼效应,须要同时耦合流体能量算法和结构动力学的计算。结构的涡激振动只需使用算法。

虎门大桥特殊颤动的背后:流固耦合仿真办法详解