大跨径桥梁抗风设计数值化技术的研究.pdfVIP

交通部西部交通建设科技项目 合同编号：2006 318 494 26 密 级： 大跨桥梁抗风设计数值化技术研究 项目研究总报告 (简本) 中交公路规划设计院有限公司 同 济 大 学 贵州高速公路开发总公司 贵州省交通规划勘察设计研究院 二O 一O 年十一月 目 录 第1 章 概 述 1 第2 章 桥梁抗风设计数值分析方法研究 1 第3 章 桥梁抗风数值化分析平台研发 3 第4 章 桥梁新型抗风控制措施研发 5 第5 章 山区桥梁设计风参数及设计指南 7 第6 章 结 论 7 I 第1章 概 述 1、研究背景 随着交通建设适应经济快速发展的需要，国内外跨越江河海湾、深谷、连接 岛屿及大陆的长大桥梁将陆续修建，而复杂恶劣的建设条件和较高的通航标准对 桥梁跨径提出了迫切需求。随着桥梁跨径的增大，结构刚度更为轻柔，结构阻尼 显著降低，结构对风的作用十分敏感，抗风成为控制大跨桥梁安全的一项重要技 术挑战。风洞模型试验费用高、周期长，且存在模型尺度限制问题。近年来，随 着计算科学和计算机技术的进步，数值模拟技术已发展成为风洞模型试验之外的 重要技术方法，为桥梁抗风设计提供了新的重要手段。与风洞试验相比，数值风 洞模拟具有其独特优势：费用低、周期短，特别适合大量桥梁设计方案抗风性能 的比选；能够克服物理风洞试验的尺度局限性，能形象描述桥梁结构的微观流场 变化，有利于认识风振机理。同时，为了确保桥梁的抗风安全，急需研发实用有 效的桥梁新型控制措施。另外，在我国西部大开发中已修建和即将修建一批山区 大跨桥梁，但是，我国山区桥梁抗风设计风参数缺乏基础数据和有效分析方法， 山区桥梁抗风设计面临严峻挑战，急需对国内外山区桥梁抗风设计研究成果进行 总结和归纳，在此基础上编制山区桥梁抗风设计指南。 2、主要研究内容  桥梁抗风设计数值分析方法研究  桥梁抗风数值化分析平台研发  桥梁新型抗风控制措施研发  山区桥梁设计风参数及抗风指南研究 第2章 桥梁抗风设计数值分析方法研究 1、建立了基于微观分子运动论的桥梁结构数值风洞模拟方法，克服了 传统宏观粗粒度方法对桥梁湍流模拟的尺度分离假设依赖和非线性对 流项求解的困难。 由于传统的计算流体动力学（CFD）方法都是利用基于宏观连续介质假设的 Navier-Stokes 方程进行流场求解，其非线性对流项的数学求解非常复杂，且对桥 梁钝体的非定常气流模拟存在很强的不确定性。为此，本项目另辟蹊径，从微观 1 分子运动论出发，认为流体由大量粒子构成的，在速度、空间和时间上完全离散 的动力系统，建立了完全非定常的桥梁结构气动弹性数值模拟Lattice Boltzmann （LB）方法，克服了传统方法对湍流尺度分离假设的问题和非线性对流项求解的 困难。通过引入大涡模拟思想，用亚格子湍流模型来描述局部涡粘性变化，建立 了湍流松弛时间LBGK 模型，实现了桥梁结构湍流流动的模拟。 将动网格技术引入到LB 方法中，在非惯性参考系中描述气体粒子的运动，利 用惯性力分布函数 F 来描述物体运动对流体粒子运动的耦合影响，建立了惯性算 子LBGK 模型，实现了振动桥梁结构气流绕流的模拟和颤振导数的识别。 基于流体质量和动量守恒定律，通过计算单位瞬时内气体粒子碰撞到固体后 发生的动量改变量，得到单位时间内物体受到的气动力，并考虑复杂曲面边界的 影响，建立了基于曲线边界格式的动量交换法，实现了复杂桥梁结构气动力的快 速计算。 2、基于虚拟激励法和有限元法，在频域建立了桥梁抖振内力响应分析 的高效随机振动方法，能够快速求解桥梁抖振内力响应。