摘要
涡激振动是大跨度桥梁或其钝体构件在低风速下很容易出现的一种风致振动现象。大跨度拱桥的拱肋多采用钝体截面，来流风经过时易产生漩涡脱落现象。当拱肋悬臂施工至合龙状态前，结构将表现出更加轻柔的动力特性，故相比成桥状态而言更容易受到风的作用而产生涡激振动现象。不同于水平向的主梁和竖直向的桥塔，拱的轴线为曲线，且截面尺寸沿拱轴线变化明显，基于条带假定的二维数值分析难以全面反映拱肋的涡振响应。为了更准确地掌握施工阶段拱肋达到最大悬臂状态时的涡激振动性能，本文以某拱桥为工程背景，建立了有限元模型并计算了拱肋的模态特性，模拟了典型截面的绕流特性并探讨了两拱肋之间的气动干扰行为，实现了结构的三维流固耦合分析并评价了施工阶段拱肋的涡振性能。具体研究内容为： 通过ANSYS APDL建立了结构的有限元模型，比较了成桥及施工阶段拱肋的模态特性；通过ANSYS FLUENT软件模拟了拱肋典型截面的绕流特性并研究了拱肋间的气动干扰行为，并根据漩涡脱落频率计算了施工阶段拱肋可能的涡振锁定风速；进一步通过ANSYS WORKBENCH平台建立了拱肋的三维气动弹性模型，在验证了静力刚度和动力特性及设置合适阻尼比后，采用双向流固耦合方式在0m/s~65m/s风速范围内对拱肋三维气弹模型展开计算，并基于计算结果对拱肋涡激振动可能性进行了评价和分析。主要结论包括： （1）以施工阶段拱肋模型为例介绍了建模过程，此后分别建立了某拱桥的施工阶段最大悬臂状态和合龙状态拱肋的有限模型进行分析，获得了最大悬臂状态前十一阶和合龙状态前十阶的动力特性，并分别对两阶段的振动模态和对应的频率展开了分析讨论。 （2）简要介绍了计算流体力学（CFD）及涡激振动理论，在对串列矩形、方形和单矩形截面进行了数值模拟验证后，通过数值模拟获得了双拱肋截面阻力系数、升力系数及卓越频率和力矩系数增大倍数分别随着宽高比、间距比和风攻角的变化情况。拟合了串列矩形在不同风速下漩涡脱落频率随宽高比的变化公式。基于上述二维固定分析的串列矩形气动干扰研究，结合拱肋的低阶模态及频率，对拱肋的竖弯和扭转涡激振动可能风速进行了评价和分析。 （3）简要介绍了流固耦合理论，基于ANSYS WORKBENCH平台建立了三维固定方柱模型和气动弹性方柱模型。通过三维固定方柱的绕流模拟，识别并验证了方柱的气动力系数，确定了合理的网格划分方法和计算时间步长；通过双向流固耦合模拟了气弹方柱的涡激振动现象，进一步确定了上述网格划分方法和计算时间步长的合理性，以此指导三维拱肋气动弹性模型的建立和计算。 （4）介绍了三维气弹拱肋模型的建立方法和流场区域的划分原则，通过双向流固耦合模拟了气弹拱肋在不同来流风速下的振动响应，绘制了竖向振幅和扭转振幅随风速的变化曲线，观察到了施工阶段拱肋的涡振锁定区间，并对位移和升力系数时程曲线进行频谱分析，结合二维数值模拟的结果讨论了拱肋的涡振特性。
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