风嘴几何参数对Π型断面涡激振动的影响

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Π型梁断面具有受力合理、施工便利、经济效益好等优点,在现代桥梁建设中应用广泛。双边箱式Π型梁断面作为典型钝体断面,其对风载作用敏感,风致振动尤其是涡激振动问题突出,在实际工程中往往需要增设抑振措施来改善断面气动性能。涡激振动对气动外形十分敏感,气动措施通过改变结构气动外形来改变断面周围流场,从而改善结构的气动性能。风嘴作为改善Π型梁断面气动性能的常用气动措施,本文针对不同形式的风嘴,利用风洞试验同步测压测振并与数值模拟技术相结合,通过对比安装风嘴后的断面和原断面的涡振响应与表面压力特性,解释风嘴对双边箱式Π型断面的涡振响应的影响。主要研究内容包括:(1)基于Π型梁测振试验得到结构在不同风速下涡振响应时程,研究分析原断面在涡振区间起振点、上升段、峰值点、下降段和结束点的涡振响应特性。在此基础上改变风嘴几何参数,进行安装风嘴后的断面测振试验。研究发现:风嘴的抑振效果与风嘴外伸长度(l)和与梁高的相对高度(h)都相关,总体来说,h/l的值越小,抑振效果越好。(2)在测振试验的基础上,选取现象特殊的风嘴措施进一步对结构表面压力特性进行分析。通过对比分析结构平均压力系数分布、脉动压力系数分布、涡激气动力、各测点的时频特性、各测点压力与气动力的相关性和各测点压力对气动力的贡献度,研究发现:在涡振区间内,各测点所受压力、涡激力的分布趋势相似,模型静止状态和固定状态下各气动参数分布基本吻合;涡振区间内,各测点脉动压力具有相同的与模型基频相同的卓越频率;改善结构下表面流场是风嘴抑振的关键。(3)对原始断面以及安装不同风嘴措施的断面分别进行数值模拟。对比分析原断面与安装风嘴断面结构绕流的变化,研究发现:风嘴措施使结构前缘上下表面的气流分离发生改变,尤其使上表面前缘的气流分离明显减弱;抑振无效措施的结构绕流同原断面类似,但是下表面漩涡速度和脱落时间有所差别;对此断面SST k-ω模型计算得出的压力系数分布趋势能和实验结果对应较好。
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