基于大气边界层湍流特性的桥梁气动导纳函数研究

Buffeting is an unavoidable vibration frequently encountered by long-span bridges, and sometimes becomes a controlling factor in the construction of long-span bridges.Aerodynamic admittance function (AAF) is one of the key parameters to determine the buffeting forces, which is closely related to the turbulence characteristics of incoming flow. AAFs are usually identified through the segment model test in grid-generated turbulent wind fields. However, it is difficult to accurately simulate the turbulence parameters in wind tunnel tests, especially the low turbulence integral scale, which limits the practical application of AAFs. CFD numerical simulation overcomes the shortcomings of traditional wind tunnel tests and provides an effective way for the study of AAFs. Firstly, for four types of typical bridge sections, the reasonable CFD simulation method of AAFs for each type of section is determined from the aspects of near wall treatments, grid mesh generation and time step. On this basis, the effects of turbulence intensity, turbulence integral scale and power spectral density on the AAFs of four types of cross-sections are studied in large-scale turbulent flow field, and the empirical expressions of the effects of turbulence characteristics on the AAFS are established. Finally, the effect of model vibration on AAFs is studied, and the fluid-structure interaction mechanism of the turbulent flow through the vibrating bridge section is revealed.

抖振是大跨度桥梁频繁遭遇而又无法避免的一种振动，有时会成为大跨度桥梁建设的控制因素。气动导纳函数是确定抖振荷载的关键因素，它与来流的湍流参数有着密切的关系，目前主要通过被动格栅湍流场节段模型试验进行识别。但风洞试验难以实现湍流参数的准确模拟，尤其是积分尺度严重偏低，限制了气动导纳的实际工程应用。CFD数值模拟克服了传统风洞试验的缺点，为气动导纳的研究提供了一种有效途径。首先，针对于四类典型桥梁断面，从壁面处理方式、网格划分、时间步等方面出发，确定每种类型断面合理的气动导纳CFD模拟方法。在此基础上，在大尺度的湍流场中研究湍流度、积分尺度、功率谱密度对四类断面气动导纳的影响规律，建立湍流参数对气动导纳影响的经验表达式。最后，研究模型振动对气动导纳的影响，并对湍流流经振动着的桥梁断面时的流固相互作用机理进行揭示。

气动导纳是桥梁随机风振响应准确预测的关键参数，传统风洞试验难以实现单一湍流参数变化的大尺度湍流场的模拟，导致气动导纳的研究局限于小尺度湍流，且不同湍流参数对气动导纳的影响相互掺杂。考虑到桥梁气动导纳函数与风场特性有关，因此有必要在满足自然风特性的湍流中对不同湍流参数对气动导纳的影响进行研究。基于RANS/LES混合方法，研究了不同混合方法在几种典型桥梁断面非定常气动力中的表现，确定了合适的非定常气动力三维数值模拟方法。利用改进的湍流合成方法，实现了满足自然风特性的大积分尺度湍流场模拟，并模拟了单一湍流参数变化的湍流场。采用RANS/LES混合方法，研究了大积分尺度湍流场中几种典型桥梁断面的气动导纳函数，并与小尺度湍流场中的结果进行了比较。结果表明，传统小尺度格栅湍流场风洞试验结果在高频处与大尺度湍流场中的结果基本一致，但在桥梁抖振分析关注的低频处被严重低估。然后在单一湍流参数变化的流场中，分析了不同方向的湍流度、湍流积分尺度对典型桥梁断面气动导纳的影响。结果表明，湍流积分尺度对升力气动导纳的影响明显大于湍流度的影响，尤其是顺风向积分尺度对气动导纳的影响最为显著，其次是竖向积分尺度。两者都表现为，随着积分尺度的增大，气动导纳也增大。顺风向湍流度和竖向湍流度对气动导纳影响较小，特别是顺风向湍流度对竖向风速对应的升力气动导纳基本没有影响。最后在模拟的大尺度湍流场中，识别了振动状态下桥梁断面的气动导纳，并与静止状态下的结果进行了比较，发现振动对气动导纳的影响较小。气动导纳是多年来桥梁风工程中的一个难题，本项目的研究有望解决气动导纳长期囿于小尺度湍流研究的困境，使大跨度桥梁随机风振响应的研究在准确化方面迈上一个新台阶。