覆冰斜拉索驰振稳定性研究

论文摘要

在寒冷的冬季,由于覆冰物改变了斜拉索的截面形状,这种不稳定的气动外形可能引发斜拉索发生驰振。由于驰振是一种低频、大幅的风致振动,会严重威胁斜拉桥的安全,因此,对覆冰斜拉索的驰振稳定性研究非常必要。首先,通过广泛查阅国内外关于冰型研究的文献,确定了3种典型的斜拉索结冰冰型。以1：1的比例制作了6个覆冰拉索节段模型,并进行风洞测力试验,得到平均升力系数和平均阻力系数,研究了平均气动力系数随风攻角的变化规律,并通过邓哈托驰振力系数判断可能发生驰振的风攻角区域。结果表明：6种覆冰拉索模型的平均升力系数均有突降区,其驰振力系数远小于零,存在发生驰振的危险性。其次,在风洞试验测力数据的基础上,建立覆冰拉索二维单自由度理论模型。对风洞试验得到的平均气动力系数进行多项式拟合,并以海南洋浦大桥的斜拉索为工程背景,通过数值计算的方法研究覆冰斜拉索的驰振响应特性,确定其一阶模态的驰振临界风速,并与理论公式计算得到的驰振临界风速进行对比。通过改变拉索的阻尼比、拉索覆冰段长度等参数研究拉索驰振临界风速的变化规律。比较洋浦大桥不同拉索的驰振临界风速,研究拉索驰振临界风速随不同拉索的变化规律。结果表明：拉索长度越长,驰振临界风速越小,对海南洋浦大桥最长拉索而言,其一阶模态的驰振临界风速远低于设计风速；提高拉索的阻尼比,可以增加驰振临界风速。最后,利用CFD商业软件平台Fluent对新月形和D形覆冰拉索绕流流场进行研究,得到覆冰拉索的平均气动力系数,并通过数值计算得到了海南洋浦大桥最长拉索的驰振临界风速,并与风洞试验结果进行对比分析。结果表明：CFD数值模拟得到的结果在一定程度上反映了覆冰拉索的气动力特性的某些规律,能较准确的预测发生失稳的攻角区域,验证了数值模拟在一定程度上代替风洞实验的可能性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究对象及意义
• 1.2 斜拉索的各种振动形式
• 1.3 斜拉索发生横风向驰振的可能性
• 1.4 覆冰导线驰振
• 1.4.1 导线覆冰现象
• 1.4.2 覆冰导线驰振研究
• 1.4.3 覆冰斜拉索与覆冰导线的不同
• 1.5 本文工作
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 拟解决的关键问题
• 1.5.3 研究方案
• 1.5.4 本文研究内容
• 第2章 拉索覆冰冰型选择
• 2.1 导线覆冰形成机理、影响因素及分类
• 2.1.1 覆冰机理
• 2.1.2 影响导线覆冰的因素
• 2.1.3 导线结冰分类
• 2.2 冰型的试验研究
• 2.2.1 薄膜形覆冰
• 2.2.2 新月形覆冰（湿雪三角棱形覆冰）
• 2.2.3 带冰棱的新月形冻雨覆冰
• 2.2.4 D形覆冰
• 2.3 试验冰型选择
• 2.4 小结
• 第3章 覆冰拉索测力试验
• 3.1 风洞试验设备及拉索模型设计
• 3.1.1 风洞试验设备
• 3.1.2 测量仪器
• 3.1.3 试验模型
• 3.1.4 风场及风向角
• 3.2 气动力系数
• 3.2.1 平均升力和阻力系数
• 3.2.2 驰振稳定性分析
• 3.3 小结
• 第4章 覆冰拉索驰振临界风速
• 4.1 覆冰拉索节段模型的建立
• 4.1.1 二维单自由度运动微分方程推导
• 4.1.2 驰振稳定性判据及驰振临界风速
• 4.2 拉索运动微分方程求解
• 4.2.1 气动力系数多项式拟合
• 4.2.2 运动微分方程的求解
• 4.3 覆冰斜拉索驰振临界风速
• 4.3.1 工程背景
• 4.3.2 全截面形成覆冰时的驰振临界风速
• 4.3.3 部分截面形成覆冰时的驰振临界风速
• 4.3.4 阻尼比的影响
• 4.3.5 中跨拉索的驰振临界风速
• 4.4 小结
• 第5章 CFD数值模拟计算
• 5.1 CFD简介
• 5.1.1 CFD概述
• 5.1.2 CFD的优缺点
• 5.1.3 CFD的求解过程及基本环节
• 5.1.4 CFD数值解法
• 5.2 FLUENT简介
• 5.2.1 FLUNET软件概述
• 5.2.2 FLUNET的功能及特点
• 5.2.3 FLUNET的优点
• 5.3 覆冰拉索模型平均气动力特性的CFD模拟
• 5.3.1 模型建立与网格划分
• 5.3.2 新月形覆冰拉索气动力特性计算结果
• 5.3.3 D形覆冰拉索气动力特性
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢