大跨度桥梁静风稳定性与抖振响应雷诺数效应分析

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1、长安大学硕十学位论文型与原型的雷诺数相差很大，试验数据向原型复原时，无法得到参数的实际变化规律，这是因为试验设计时没有满足雷诺数相似准则而产生的——彼此相似的物理现象中的若干个由基本物理量组成的无量量纲的数值相同，这些数值相同的无量纲就称之为相似准则(相似准则是两个现象相似的特征和标志，甚至是决定相似的充要条件，风洞试验实验中几个重要的相似准则有：雷诺数Re，马赫数Ma，普朗特数Pr，比热比Y，弗劳德数Fr，斯特哈尔数St等)。实际对雷诺数效应的研究一般都是针对后者。因为桥梁抗风设计和分析依赖于风洞试验，而几乎所有常规的风洞试验都无法满足雷诺数相等这

2、一准则，因此但凡需要风洞试验提供三分力系数的抗风设计和抗风分析，都可能受到雷诺效应的影响。近年来的国内外研究已经确认了桥梁断面同样存在着雷诺数效应的论断。Normandy桥三种比例模型测力试验发现，雷诺数效应使得三种比例模型的三分力系数曲线不重合。A．Larsen和G．Shewe等人证实了雷诺数效应是GreatBeltEastBridge引桥风洞试验与实桥施工时涡振发生风速及Strouhal数不一致的主要原因。同时两人借助流迹显示的方法，证明了雷诺数对尾迹区形状影响是阻力系数变化的内在原因。G．L．Larose、S．V．Larsen和A．Larsen

3、等人作了雷诺数为常规风洞试验25倍的Stonecutter桥大比例尺模型风洞试验，经对比发现：在接近和进入锁定区时旋涡的脱落特性与雷诺数有着密切的关系。Y．Kubo研究了H型断面以及日本Ikara桥断面的Strouhal数与雷诺数Re的关系，发现Strouhal数对雷诺数依赖性是明显的。K．Matsuda在中间开槽流线型断面1：10的模型试验中发现，攻角为O。时，雷诺数对Strouhal数的影响不明显；但当攻角为5。时，在试验的雷诺数范围内Strouha]数却有明显的变化。同济大学李加武、林志兴、项海帆等人在对近流线型和疗型断面的系列研究发现，无论是

4、近流线型还是钝体断面都存在雷诺数效应，不同形状断面的雷诺数效应的规律是不同的。因此，雷诺数效应在大跨度桥梁抗风设计中是必须考虑的。雷诺数效应对桥梁断面气动特性的影响可能还有以下几个方面，本文针对前两个方面进行了分析。1．三分力系数的雷诺数效应对静风荷载的影响，可能进一步影响到结构的静风稳定性；2．颤抖振中的雷诺数效应，雷诺数对结构内力响应及位移响应的影响；3．雷诺数效应对气动导数和气动导纳的影响；4．雷诺数效应对桥梁断面涡激振动特性的影响。包括雷诺数对桥梁断面Strouhal、第一章绪论涡激振动振幅及起始风速、涡激振动抑制措施有效性的影响；5．雷诺数

5、效应对细长结构的驰振临界风速的影响。1．4本文研究内容1．4．1本文研究目的由常规的低雷诺数风洞试验提供的许多气动参数(三分力系数、Strouhal数、表面压力系数、表面脉动压力系数)受雷诺数影响较大，这会影响与其相关的桥梁抗风设计。同时由于几乎所有的抗风设计环节都与三分力系数有关，这使得三分力系数的雷诺数效应研究意义重大。本文针对桥梁抗风设计中与三分力系数雷诺数效应相关的两个方面，即桥梁静风稳定性和抖振响应展开了深入研究。研究目的一是确定三分力系数雷诺数效应对上述两个方面的抗风设计造成了怎样的影响，是偏于危险还是偏于保守；二是深入分析造成这种影响的

6、主要影响因素可能有哪些。图1．1给出了本文的技术路线图。1．4．2本文研究内容针对上述问题，本文以苏通长江公路大桥主桥为工程背景，在既有的雷诺数效应研究的基础上，确定了本文的研究内容，图1．2给出了研究内容关系图。本文研究内容如下：1)通过对苏通大桥三分力系数随雷诺数变化的散点数据进行傅立叶级数拟合，得到了较为合理的三分力系数随雷诺数变化的函数表达式，从而可以计算得到任意雷诺数下的三分力数值，以各在不同雷诺数下进行抗风设计对比计算时取用；2)以低雷诺数和高雷诺数风洞试验得到的三分力系数分别进行非线性静风失稳计算，以明确雷诺数效应对静风失稳风速的影响，

7、并对比不同雷诺数下三分力系数曲线形状的差异，以明确雷诺数效应如何影响桥梁结构的静风稳定性；3)在成桥状态下，依据低雷诺数和高雷诺数风洞试验得到的三分力系数，进行多个雷诺数下的抖振响应对比计算，以明确雷诺数效应对桥梁内力及位移响应的影响，并进一步分析了三分力系数在0。攻角处的斜率值随雷诺数的变化规律，以明确雷诺数效应如何影响桥梁结构的动力响应。6*安★学碰士学位论女圃舒蛰*蜊dJ醢第￡绪论豆主厂I：嚣；暑I匝幡米肆罡铁奄鼍H两e悖悖峰幢世：；；：；：：；：；。II；；：，．一fl圈退一K怯=竺嚏陆憎h一，塾"}；一一。婪毙一．．】．长安大学硕+学位论文

8、2．1概述第二章流线型断面的静气动力系数雷诺数效应桥梁断面雷诺数效应非常复杂，不同断面的雷诺数效应都不同。同