冲击风稳态流场CFD模拟及三维风速经验模型研究

建筑结构抗风设计中相当多地区的设计风速,往往参考当地气象观测到的雷暴冲击风的最大风速值,但雷暴冲击风的风场与目前抗风设计采用的大气边界层流场相差悬殊,使得设计风速与设计风场并不匹配.本文将在CFD计算结果与已有文献资料进行比较以验证CFD计算模型及参数准确性的基础上,进行了风场特性的全面研究,主要通过改变冲击风描述参数,来研究雷暴冲击风水平风速及竖向风速的分布特性变化情况,研究成果较为完整的描述了冲击风风场特性.最后提出了用于结构抗风设计的水平风速及竖向风速经验模型,较为简明地反映了雷暴冲击风三维风速的空间分布情况,并得到了CFD模拟、实测以及试验结果的验证.该经验模型为雷暴冲击风下的抗风设计计算提供了理论基础.     

基于压力迭代修正的大型冷却塔抗风性能分析

目前,大型冷却塔的抗风性能分析主要把得到的风压分布施加到结构上进行结构计算,没有考虑风载引起的结构变形对风压分布的影响,会产生较大的误差。本文结合计算流体力学与有限元分析的特点,建立了考虑结构变形影响的风压迭代修正模型,进行平均风压下大型冷却塔的抗风性能分析,并讨论了内部空气流动及淋水层的影响。计算结果与规范分析结果进...     

三维风场下的不同桥梁断面形式的气动特性数值分析

基于计算流体力学(CFD)方法,计算风对桥梁的静力作用。首先在二维和三维风场环境中,分别计算了同一桥梁断面的三分力系数,将其与风洞试验结果进行了对比。然后在三维风场下,分别以扁平箱梁、分离式双边箱梁和∏型梁三种经典桥梁断面为结构模型,建立-5°～+5°共11个风攻角下的流场模型,以剪切应力输运k-ω模型为湍流模型,提取不同攻角下的三分力系数,绘制了桥梁结构模型周围的风场特征图,包括压力云图、速度和旋涡的分布图,分析不同桥梁断面形式的抗风性能。结果表明,三维的计算结果更加接近试验值,其阻力系数和升力系数与试验值的误差分别为1.36%和0.054%。通过三维数值分析得到的数据可以初步确定抗风性能好的断面类型,能为大跨度桥梁的设计与研究提供重要参数。     

力学与实践 第29卷（2007年）总目次

综述现代桥梁抗风理论及其应用...............................................................……项海帆葛耀君(1.1)大型飞机阻力预示与减阻研究.............................................................……马汉东崔尔杰(2.1)生物薪附与仿生勃附力学的进展..........................................................……陈少华苏爱嘉(2.9)渗流力学研究的现状和发展趋势...................................................................……周济福(3.1)深空探测中的动力学与控制.......................................…     

基于虚拟激励法的大跨桥梁抖振内力分析

桥梁抖振内力分析是大跨桥梁抗风设计中的一项重要课题。目前，通常采用等效静风荷载的方法来计算桥梁抖振内力。本文将虚拟激励法应用到桥梁抖振内力分析中来，考虑多模态耦合效应，建立了直接应用随机振动方法计算桥梁抖振内力的快速算法。最后，以主跨为628m的某大跨斜拉桥为例进行了多模态耦合抖振内力分析，结果表明：高阶模态的参与将使主梁抖振内力增大，主梁抖振内力的峰因子介于3．4至4．0之间。     

单层平面索网幕墙结构的风振响应分析及实用抗风设计方法

单层平面索网玻璃幕墙结构是广泛应用于大型公共建筑中的一种新型结构形式,由于其具有柔性大、质量轻、阻尼小、自振频率低的特点,属风敏感结构。由于单索幕墙具有较高的几何非线性,本文采用基于随机振动理论的模态叠加频域方法进行了单索幕墙结构的风振响应分析。将模态叠加频域方法的计算结果和非线性时程分析方法的精确计算结果进行了比较,证明了该方法的准确性。并且本文通过分析各阶模态对单索幕墙结构风振响应的贡献,得到脉动风荷载下结构的振动以第一阶模态为主的结论。根据该结论本文采用频域方法推导了单索幕墙结构的位移均方差和索内力均方差的实用计算公式,同时考虑单索幕墙的结构特点提出了基于结构响应的单索幕墙结构实用抗风设计方法。     

既有钢桁梁桥损伤识别与诊断方法研究

从结构动力学基本理论出发，对既有钢桁梁桥的损伤识别与诊断方法进行了研究. 通过选取钢桁梁桥损伤前、后的固有频率作为特征参数，并应用BP神经网络方法和MATLAB方法对桥梁损伤识别和诊断过程进行了深入细致地分析，提出了一套完整的桥梁损伤识别和诊断过程流程图. 最后，用一实际钢桁梁桥的损伤识别进行了数值模拟，计算结果证明了该方法的准确性和有效性.     

基于FLUENT的大气边界层风场LES模拟

通过拟周期边界条件、布置粗糙元和添加随机扰动等措施实现了大气边界层风场的LES模拟。对可能影响数值模拟结果的网格密度、粗糙元高度、随机数大小、随机数赋值方向及范围等主要参数进行分析,确定其影响规律,并据此生成满足目标要求的四类不同地貌大气边界层风场。结果表明,本文的模拟结果满足结构抗风计算的要求,验证了本文所采用的数值模拟方法的可行性,为后续进行结构绕流的大涡模拟提供了有价值的来流生成方法。     

桥梁节段模型气弹振动的非线性判别方法研究

在ERA(Eigensystem Realization Algorithm)的理论框架内建立了误差因子,评估桥梁节段模型风洞实验中气动导数的辨识质量。通过子空间能量分解,分别计算辨识过程中有效识别信号成分能量和未被识别信号成分能量与总信号能量的比值,并以此构造误差因子。将相同实验环境下自由衰减振动和尾流激励随机振动两组实验的误差因子相互比对,判断桥梁节段模型的气弹振动非线性是否对气动导数辨识结果产生影响。依据误差因子判断,在本文所使用的两种节段模型中,部分流线型箱梁断面具有较强的耦合非线性;而槽形开口型断面的模型具有较低的耦合非线性。     

征稿简则

1．《力学学报》是力学学科的综合性学术刊物,报道理论和应用力学所有领域中理论、方法和实验方面的研究进眨．期刊鼓励发表与力学相关的交叉学科的研究成果,力求成为力学与其他工程和科学分支的桥梁,成为有助于促进中国力学年轻学子成长和推动与中国重大工程建设合作的一个开放性学术平台．     

我国大跨度缆索承重桥梁的空气动力性能研究

本文介绍了我国大跨度桥梁空气动力性能方面的研究情况。以同济大学土木工程防灾国家重点实验室所从事的桥梁空气动力性能的理论和试验研究工作中的几个主要方面为重点,介绍最新进展,其中包括非线性颤振的频域分析,颤振分析的全模态技术,基于计算流体动力学的数值风洞等研究课题。     

大跨径悬索桥空气静力和动力分析的影响因素研究

随着悬索桥跨径的增大,缆索直径以及作用在其上的风荷载、风与结构相互作用的非线性效应以及风速空间分布的非均匀性都将显著增强。以润扬长江大桥为背景,进行了缆索风荷载、风与结构相互作用的非线性效应以及风速空间非均匀分布等因素对大跨径悬索桥空气静力和动力特性影响的数值分析。分析结果表明:这些因素对大跨径悬索桥空气静力特性的影响比较大;但是对于空气动力稳定性而言,风与结构相互作用的非线性效应的影响比较显著,而其它两个因素则基本没有影响。     

大跨度桥梁多模态耦合颤振的TMD控制

推导了装有TMD的结构在气动自激力作用下的动力微分方程,基于模态空间中多模态耦合颤振分析手段,运用考虑安装TMD的多模态自动分析法对结构-TMD系统进行了颤振分析和TMD控制分析,使多模态自动分析法能适用于TMD颤振控制分析,避免了双参数搜索和迭代计算,提高了计算效率。对某在建三塔悬索桥进行了原结构颤振分析和TMD-结构颤振频域分析,探讨TMD控制参数对颤振临界风速的影响。     

基于首超破坏机制的大跨斜拉桥抖振动力可靠性分析

分别采用泊松分布和马尔可夫过程，给出了在一次强风作用下以及在设计基准期内桥梁结构某一特定截面或节点的抖振动力可靠性分析方法。然后，考虑斜拉桥的结构特点及其承受风荷栽的具体情况，确定了以斜拉桥的主梁系统为研究对象的结构体系抖振动力可靠性分析模型。在此基础上，采用串联失效模式，建立了斜拉桥主梁系统抖振动力可靠性分析过程。本文采用有限元法分析结构的空气静力响应。为了快速、准确地计算结构的抖振响应，考虑气弹力与抖振力的联合作用以及多模态耦合效应，采用有限元法和虚拟激励法相结合分析结构的抖振响应。最后，以某大跨斜拉桥为工程背景，对其主梁系统进行了基于刚度要求的抖振动力可靠性分析。     

静风荷载作用下大跨度钢拱桥施工稳定性的参数研究

随着钢拱桥跨径的不断增大，钢拱桥在静风荷载作用下的施工稳定性问题已引起了人们的广泛重视。本文以上海在建的主跨550m的中承式钢拱桥为例，采用几何和材科非线性分析法详细分析了大跨度钢拱桥在两个不同施工阶段下的静风稳定性。结果表明，拱肋最初合拢状态是拱桥施工过程中最不利的状态。最后，详细探讨影响大跨度钢拱桥施工过程中静风稳定性的主要参数。     

桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用

研究桥梁结构多尺度模拟和分析方法对于发展重大桥梁结构损伤检测与状态评估方法以确保其安全运营是至关重要的.本文综述和总结了作者及其课题组多年来在桥梁结构劣化与损伤过程分析领域的研究工作.包括:系统地提出了针对大型桥梁结构损伤劣化过程分析需求的结构多尺度问题,研究证实了结构损伤与劣化过程分析可以通过结构一致多尺度模拟和时空多尺度分析来实现;提出了针对大型桥梁结构多尺度模型的多因素、多目标同步模型修正技术,指出多尺度模型修正必须对各分析目标敏感的多种因素同步优化,同时交叉验证修正后模型对该级修正目标和对其它模拟目标的复现与预测能力.提出了基于结构一致多尺度模拟和结构健康监测信息进行结构劣化分析的方法并应用于两个重大桥梁工程结构的疲劳损伤分析与评估.最后,指出在此领域中还要很多问题亟待解决,尤其是如何模拟损伤从材料与结构中的细观层次的缺陷演化发展到结构局部乃至整体失效的过程,建立结构损伤演化与失效过程的跨尺度分析理论与方法.     

正交异性钢桥面系的多目标离散优化设计

将大跨径钢桥的正交异性钢桥面板和其上的铺装层作为钢桥面铺装体系整体进行多目标优化设计.取钢桥面铺装体系结构总重量最轻及铺装层使用年限最长两类指标构造目标函数,在此基础上采用功效函数法确定了目标函数的权重系数.应用正交异性钢桥面系力学性能控制指标和疲劳寿命预测公式,建立多目标优化设计的数学模型.引入蚂蚁算法,开发了钢桥面铺装体系结构多目标离散优化设计程序.以国内某大跨径钢桥为对象, 采用多目标优化设计方法, 给出钢桥面铺装体系中各参数的优化值.结果表明, 应用多目标优化设计方法对大跨径钢桥面铺装体系设计是可行的.研究成果可为大跨径钢桥面铺装体系结构的设计提供理论依据.     

An accurate singularity-free geometrically exact beam formulation using Euler parameters

Wind-induced nonlinear oscillations of twin-box girder bridges are very sensitive to the aerodynamic shape of the deck (i.e., slot width ratio (SWR) and wind fairing shape) due to the complicated flow characteristics around the bridge deck. This paper presents a fully integrated finite element (FE) model in time domain, involving a nonlinear aerodynamic force model and a bridge FE model, to allow the investigation of nonlinear oscillation behaviors of long-span twin-box girder bridges with various SWRs and wind fairing shapes. The parameters in integrated FE model were firstly identified by using CFD simulation, and then, the proposed model was validated by conducting wind tunnel testing using sectional models and full-bridge aeroelastic models. It demonstrates that the developed integrated model has the capability of simulating the nonlinear flutter behaviors of twin-box girder bridges with various aerodynamic shapes. Furthermore, the prediction results show that the wind fairing shape has significant impact on the degree of freedom participation in coupled oscillation and failure modes, as well as flutter performance of the bridges. In addition, there is an increase in amplitudes of the limit cycle oscillations with the increase in the SWR of the twin-box girder bridges, and the relationships between the bending-torsional coupled oscillation, failure modes, and SWR of the bridges with anti-symmetric wind fairings are opposite to those with symmetric wind fairings.     

大跨悬索桥三维非平稳耦合抖振分析

基于Priestley(1967)演变功率谱模型，并采用Lin和Yang(1983)的建议，建立了脉动风速的非平稳功率谱模型。依据此模型，采用三维有限元法，建立了大跨桥梁非平稳耦合抖振运动方程。然后，将虚拟激励法和精细时程积分法相结合，建立了求解桥梁三维非平稳耦合抖振运动方程的快速算法。以某大跨悬索桥为例，分析了该桥的非平稳耦合抖振响应，并与平稳耦合抖振响应进行了比较。计算结果表明：随着脉动风速平稳部分持时的增大，非平稳抖振分析结果逐渐收敛于平稳抖振分析结果；但若脉动风速的平稳部分持时较短，非平稳抖振分析结果将低于平稳抖振分析结果。