第一章 緒論

1.1 研究背景及意義
伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異的進(jìn)步，新材料得到開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，施工方法得以改進(jìn)和完善，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)與有限元分析方法的迅猛發(fā)展，以及分析理論的突破創(chuàng)新，使得橋梁的跨越能力越來(lái)越強(qiáng)，其中以斜拉、懸索體系為代表的大跨徑橋梁更是如雨后春筍，取得了高速發(fā)展。懸索橋的跨徑接近 2000 米量級(jí)，如丹麥大貝爾特大橋主跨 1624米，日本明石海峽大橋主跨 1990 米。斜拉橋跨徑已超過(guò) 1000 米量級(jí)，目前在斜拉橋中，日本的多多羅橋跨徑為 890 米，蘇通長(zhǎng)江大橋跨度高達(dá) 1088 米。拱橋的跨徑也達(dá)到 550米量級(jí)。懸索橋和斜拉橋是通過(guò)纜索體系傳遞荷載，中承式和下承式拱橋也需要通過(guò)吊桿來(lái)傳遞主梁的主要荷載。纜索承受體系的安全性直接關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全，所以保證大跨徑索橋的纜索承重體系的安全，是建橋過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，意義重大。風(fēng)致振動(dòng)是威脅大跨徑索橋安全的重要因素：在冰凍氣候下，由于覆冰物改變了拉索和主梁的截面形狀，形成不穩(wěn)定的氣動(dòng)外形，改變了拉索和主梁的氣動(dòng)力特性，就很有可能引發(fā)橋梁的顫振，渦振，抖振和馳振等風(fēng)致振動(dòng)。這些風(fēng)致振動(dòng)如果不加以研究，并采取有效的抑振措施，就可能會(huì)嚴(yán)重威脅橋梁的安全，因此對(duì)覆冰索橋的氣動(dòng)力特性，以及由此可能引發(fā)的風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行研究非常必要。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1 研究現(xiàn)狀
目前覆冰型式的研究主要集中于輸電線路導(dǎo)線的覆冰現(xiàn)象，橋梁方面鮮有研究，已有研究者對(duì)斜拉橋拉索的馳振特性進(jìn)行研究，拉索覆冰研究文獻(xiàn)相對(duì)較少。但拉索的外形和導(dǎo)線相似，所以拉索的研究也可以借鑒導(dǎo)線覆冰的一些成果。Majid 在研究輸電線覆冰脫落對(duì)輸電線影響的同時(shí)，提及覆冰對(duì)輸電線馳振的影響。但他僅僅假定表面覆冰服從某一種型式，，也未見(jiàn)其進(jìn)行輸電線覆冰型式的試驗(yàn)。Yu 等人詳細(xì)闡述了輸電線的三維振動(dòng)機(jī)理,但對(duì)于覆冰拉索氣動(dòng)性能的研究仍然不足。馬文勇（2009）通過(guò)節(jié)段模型高頻天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，計(jì)算了準(zhǔn)橢圓形和扇形兩種代表性覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù)均值、均方根值。馬文勇（2010）通過(guò)剛性節(jié)段模型高頻天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)圓形截面、裸導(dǎo)線截面及 6 種不同類(lèi)型的準(zhǔn)橢圓形覆冰線氣動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，討論了紊流度、風(fēng)向角、覆冰飽滿度、覆冰厚度等因素對(duì)導(dǎo)線氣動(dòng)力特性的影響以及準(zhǔn)橢圓覆冰導(dǎo)線馳振穩(wěn)定性的一般規(guī)律。馬文勇（2012）采用剛性節(jié)段模型高頻天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了不同紊流度下的 8 種扇形薄覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力，得出了紊流度的增加提高了可能的馳振臨界風(fēng)速，因此高紊流度對(duì)馳振有一定的抑制作用的結(jié)論。劉小會(huì)（2011）進(jìn)行了覆冰四分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)力特性試驗(yàn)以及氣彈模型試驗(yàn)，進(jìn)行了氣彈模型試驗(yàn)并與數(shù)值分析方法進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了數(shù)值分析方法的正確性王昕（2011）、樓文娟（2011）進(jìn)行了均勻流和均勻紊流下 D 型覆冰和新月形覆冰的單導(dǎo)線氣動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)；進(jìn)行了雙分裂和四分裂新月形覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)特性測(cè)試，得出了分裂導(dǎo)線整體氣動(dòng)力系數(shù)受到子導(dǎo)線的相互干擾更為嚴(yán)重的結(jié)論；并進(jìn)行了雙分裂和四分裂新月形覆冰導(dǎo)線的氣彈模型試驗(yàn)，并與數(shù)值分析進(jìn)行了比較。樓文娟（2011）分別對(duì)新月形覆冰輸電導(dǎo)線、安裝擾流防舞器的無(wú)覆冰輸電導(dǎo)線及安裝 3 種不同直徑的擾流防舞器的新月形覆冰輸電導(dǎo)線，進(jìn)行剛性足尺截?cái)嗄Ｐ吞炱綔y(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，并對(duì)繞流防舞器的舞動(dòng)控制效果進(jìn)行了研究。
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第二章 斜拉索覆冰型式的試驗(yàn)研究

2.1 斜拉索覆冰試驗(yàn)
為了解斜拉索的常見(jiàn)覆冰型式，進(jìn)行本次斜拉索結(jié)冰試驗(yàn)。試驗(yàn)需要統(tǒng)計(jì)出各種覆冰型式的幾何特征尺寸，然后總結(jié)出幾種常見(jiàn)的分類(lèi)及其幾何特性，從而為橋梁的抗風(fēng)性能研究提供必要的參數(shù)和分析，便于橋梁的設(shè)計(jì)和施工。為了研究拉索的覆冰特性，選擇了兩種拉索的直徑，兩個(gè)傾角，制作拉索剛性節(jié)段模型。模型試驗(yàn)在野外進(jìn)行，環(huán)境溫度為-5°C 至-10°C，設(shè)置簡(jiǎn)易霧狀灑水裝置，降水量為 7mm（小到中雨降水等級(jí)），模擬低溫環(huán)境的降水，但因環(huán)境無(wú)固定風(fēng)向的自然風(fēng)，所以本次覆冰試驗(yàn)沒(méi)有模擬風(fēng)對(duì)覆冰型式的影響。青海哇加灘黃河特大橋的跨徑布置為（104+116+560+116+104）m，采用典型的“PI”型加勁梁，拉索保護(hù)套筒直徑是 120mm、160mm。青海哇加灘黃河特大橋建立在青海省的東部，海東地區(qū)和黃南藏族自治州，屬于典型的中國(guó)西部高寒山區(qū)，頻繁發(fā)生的災(zāi)害性氣候，使得橋梁抗風(fēng)問(wèn)題更為復(fù)雜化。為正確評(píng)價(jià)大橋在施工、運(yùn)營(yíng)階段的抗風(fēng)安全性能，有必要開(kāi)展有關(guān)抗風(fēng)專(zhuān)題研究，而斜拉索覆冰型式以及拉索馳振特性的研究是其中的重要部分。
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2.2 試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)斜拉索覆冰試驗(yàn)，總結(jié)出斜拉索的三種主要覆冰型式：A 型覆冰，離散冰棱；B 型覆冰，非均勻擴(kuò)徑；C 型覆冰，類(lèi)似軸向流冰分布。如下圖 2.2 所示：本章以青海哇加灘大橋?yàn)閷?shí)例，進(jìn)行斜拉索覆冰試驗(yàn)。通過(guò)本次試驗(yàn)，總結(jié)出斜拉索三種主要覆冰形式：A 型覆冰，離散冰棱；B 型覆冰，非均勻擴(kuò)徑；C 型覆冰，類(lèi)似軸向流冰布；同時(shí)統(tǒng)計(jì)各種形式的幾何特征尺寸，分析出一個(gè)較為合適的尺寸，能夠?yàn)闃蛄旱目癸L(fēng)性能研究提供必要的參數(shù)和分析，以便于橋梁的設(shè)計(jì)和施工。A 型覆冰的特征：A 型覆冰是離散的冰棱，影響該類(lèi)覆冰的氣動(dòng)參數(shù)大小有最長(zhǎng)及最短冰棱的直徑，單位長(zhǎng)度的冰棱根數(shù)。單位長(zhǎng)度冰棱的根數(shù)越多，冰棱間距越小，阻風(fēng)面積越大，阻力系數(shù)相對(duì)較大。試驗(yàn)結(jié)果表明，冰棱最長(zhǎng)達(dá)到拉索直徑的 1.6 倍，最短也會(huì)達(dá)到拉索直徑的 0.6 倍。
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第三章 覆冰斜拉索的數(shù)值模擬........22
3.1 計(jì)算方法 .......22
3.2 計(jì)算原理 .......23
3.3 計(jì)算工況和網(wǎng)格劃分 .....23
3.4 數(shù)值模擬計(jì)算 .....23
3.5 小結(jié) .........39
第四章 覆冰主梁的風(fēng)洞試驗(yàn)研究....41
4.1 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性 ....41
4.2 覆冰主梁的風(fēng)洞試驗(yàn)...... 43
4.2.1 D 型覆冰節(jié)段模型測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn) ......... 43
4.2.2 D 型覆冰節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn) ......... 47
4.2.3 E 型覆冰節(jié)段模型測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn).... 56
4.2.4 E 型覆冰節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn).... 57
4.3 小結(jié)......... 61

第四章 覆冰主梁的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性
橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析，是橋梁風(fēng)振的氣動(dòng)力特性研究的基礎(chǔ)，計(jì)算各種設(shè)計(jì)方案、各狀態(tài)下的動(dòng)力特性，能夠?yàn)轱L(fēng)洞試驗(yàn)節(jié)段模型的設(shè)計(jì)和制作提供依據(jù)。本節(jié)具體采用 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析軟件分析程序計(jì)算 。下文普立特大橋?yàn)槔?jiǎn)單介紹普立特大橋（主跨為 628m）的動(dòng)力特性分析采用有限元分析方法，首先結(jié)構(gòu)離散，然后施工階段使用倒拆法進(jìn)行分析，按加勁梁吊裝完成比例劃分為：30%加勁梁吊裝完成階段，70%加勁梁吊裝完成階段，90%加勁梁吊裝完成階段，成橋階段及施工階段均有考慮冰荷載與不考慮冰荷載兩種工況。根據(jù)普立特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在保證其質(zhì)量和剛度不變，即與保持實(shí)橋一致，然后建模，其建模的具體步驟如下：采用 Beam4 單元來(lái)模擬加勁梁、索塔（塔柱及上下橫梁）、承臺(tái)、剛臂等，在施工階段加勁梁節(jié)段之間采用鉸接（附加質(zhì)量采用增大材料密度的方式來(lái)加以考慮）；采用Link10 單元來(lái)模擬主纜和吊索（附加質(zhì)量采用增大材料密度的方式來(lái)加以考慮）；采用MASS21 單元來(lái)模擬防撞護(hù)欄、檢修道護(hù)欄、橋面鋪裝、索夾、錨頭、橫隔板、冰荷載等的質(zhì)量及其質(zhì)量慣性矩。然后用對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算橋梁的氣動(dòng)力特性。在此基礎(chǔ)上，采用大型通用有限元程序 ANSYS 的模態(tài)分析模塊進(jìn)行動(dòng)力特性分析。施工階段 90%加勁梁吊裝完成階段實(shí)體化的普立特大橋的有限元模型如圖 4.1 所示，未實(shí)體化的有限元模型如圖 4.1 所示。

結(jié)論

本文主要對(duì)斜拉索的覆冰型式，覆冰斜拉索CFD數(shù)值模擬，以及覆冰主梁的氣動(dòng)力特性進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行研究。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)，以及做覆冰試驗(yàn)，確定了3主要的斜拉索覆冰型式，以及2種主要的主梁覆冰型式。并對(duì)其分別進(jìn)行數(shù)值模擬以及風(fēng)洞試驗(yàn)，最終得出不同覆冰型式對(duì)橋梁氣動(dòng)力特性的影響。本文的主要結(jié)論如下：
（1）斜拉索的三種主要覆冰型式：A 型覆冰，離散冰棱；B 型覆冰，非均勻擴(kuò)徑；C 型覆冰，類(lèi)似軸向流冰布。并且歸納總結(jié)出各種形式的幾何特征尺寸。
（2）針對(duì)斜拉索的三種主要覆冰型式，建立拉索覆冰后的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行 CFD 數(shù)值模擬，計(jì)算各種風(fēng)攻角的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，根據(jù)覆冰拉索的的升力、阻力系數(shù)的計(jì)算值，作出覆冰拉索的氣動(dòng)力系數(shù)的高次多項(xiàng)式曲線，并擬合出靜氣動(dòng)力系數(shù)與風(fēng)向角之間的高次多項(xiàng)式。
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參考文獻(xiàn)（略）