橋梁風(fēng)致顫振試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬摘要隨著大跨度橋梁的不斷建設(shè)，風(fēng)致顫振問題愈發(fā)受到關(guān)注。本研究通過風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對橋梁風(fēng)致顫振特性展開研究。在風(fēng)洞試驗(yàn)中設(shè)置不同風(fēng)速、風(fēng)攻角等工況，測量橋梁模型響應(yīng)；利用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，風(fēng)速與風(fēng)攻角對橋梁顫振臨界風(fēng)速有顯著影響，所提方法能有效評估橋梁風(fēng)致顫振性能，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。研究背景與意義研究背景近年來，土木工程領(lǐng)域大跨度橋梁建設(shè)蓬勃發(fā)展，如港珠澳大橋等標(biāo)志性工程。然而，橋梁在服役過程中面臨多種復(fù)雜環(huán)境荷載，其中風(fēng)荷載是影響橋梁安全與穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。風(fēng)致顫振作為一種自激振動(dòng)現(xiàn)象，可能在較低風(fēng)速下引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的大幅度振動(dòng)，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重威脅橋梁的安全運(yùn)營。研究意義傳統(tǒng)的橋梁風(fēng)致顫振研究多依賴經(jīng)驗(yàn)公式和簡化理論模型，難以精確考慮實(shí)際復(fù)雜的風(fēng)場條件和結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)為深入研究橋梁風(fēng)致顫振提供了有力手段。本研究旨在結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，準(zhǔn)確分析橋梁風(fēng)致顫振特性，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)研究意義。創(chuàng)新點(diǎn)在于綜合考慮多種復(fù)雜因素，建立更貼近實(shí)際的風(fēng)致顫振研究模型，提高對橋梁風(fēng)致顫振預(yù)測的準(zhǔn)確性。研究方法研究設(shè)計(jì)本研究分為風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩部分。風(fēng)洞試驗(yàn)搭建橋梁模型，設(shè)置不同風(fēng)速（從低到高逐漸遞增）、風(fēng)攻角（正攻角、負(fù)攻角等多種角度）工況，測量橋梁模型在各工況下的振動(dòng)響應(yīng)，包括位移、加速度等參數(shù)。數(shù)值模擬方面，采用CFD軟件建立橋梁三維模型，模擬不同風(fēng)場條件下橋梁周圍的氣流流動(dòng)，分析風(fēng)荷載分布以及對橋梁結(jié)構(gòu)的作用。樣本選擇選取某典型大跨度懸索橋?yàn)檠芯繉ο螅鶕?jù)相似原理制作1:200的橋梁縮尺模型用于風(fēng)洞試驗(yàn)。在數(shù)值模擬中，建立與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬?yīng)的三維數(shù)值模型，確保模型的幾何尺寸、邊界條件等與實(shí)際情況相符。數(shù)據(jù)收集方法風(fēng)洞試驗(yàn)中，在橋梁模型關(guān)鍵部位布置加速度傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)采集不同工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用高速攝像機(jī)記錄模型振動(dòng)形態(tài)。數(shù)值模擬中，通過CFD軟件后處理模塊提取橋梁表面的風(fēng)壓分布、風(fēng)荷載時(shí)程等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析步驟對于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先對采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲干擾。然后，采用頻譜分析方法，確定不同工況下橋梁振動(dòng)的主要頻率成分。通過對比不同風(fēng)速、風(fēng)攻角下的振動(dòng)頻率和幅值，分析橋梁顫振的發(fā)生發(fā)展過程。對于數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，分析橋梁表面風(fēng)壓分布規(guī)律，計(jì)算不同工況下的風(fēng)荷載合力及作用點(diǎn)位置。結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步分析風(fēng)致顫振的力學(xué)機(jī)理。數(shù)據(jù)分析與結(jié)果假設(shè)提出假設(shè)橋梁風(fēng)致顫振臨界風(fēng)速與風(fēng)速大小、風(fēng)攻角存在函數(shù)關(guān)系，且不同風(fēng)攻角下顫振臨界風(fēng)速不同；同時(shí)假設(shè)數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。分析過程在風(fēng)洞試驗(yàn)中，隨著風(fēng)速的逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某一臨界風(fēng)速時(shí)，橋梁模型出現(xiàn)明顯的顫振現(xiàn)象，振動(dòng)幅值急劇增大。通過對不同風(fēng)攻角（如-5°、0°、5°）工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)正攻角和負(fù)攻角下顫振臨界風(fēng)速有所差異。在數(shù)值模擬中，通過改變風(fēng)速和設(shè)置不同風(fēng)攻角邊界條件，得到橋梁表面風(fēng)壓分布云圖和作用在橋梁上的風(fēng)荷載時(shí)程曲線。對比不同工況下的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬得到的顫振臨界風(fēng)速與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相近。結(jié)果呈現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)得到不同風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速分別為：-5°風(fēng)攻角時(shí)，顫振臨界風(fēng)速為35m/s；0°風(fēng)攻角時(shí)，顫振臨界風(fēng)速為40m/s；5°風(fēng)攻角時(shí)，顫振臨界風(fēng)速為38m/s。數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過分析試驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)攻角對橋梁顫振臨界風(fēng)速影響顯著，正攻角和負(fù)攻角工況下橋梁結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力特性存在差異，導(dǎo)致顫振臨界風(fēng)速不同。討論與建議理論貢獻(xiàn)本研究綜合風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，準(zhǔn)確分析了不同風(fēng)攻角下橋梁風(fēng)致顫振臨界風(fēng)速的變化規(guī)律，豐富了橋梁風(fēng)致顫振理論研究。通過對比試驗(yàn)與模擬結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值模擬在橋梁風(fēng)致顫振研究中的可行性，為進(jìn)一步深入研究復(fù)雜風(fēng)場條件下橋梁風(fēng)致顫振問題提供了有效方法。實(shí)踐建議在橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮風(fēng)攻角對顫振臨界風(fēng)速的影響，避免在可能出現(xiàn)不利風(fēng)攻角的情況下橋梁結(jié)構(gòu)的顫振風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本研究結(jié)果，設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化橋梁截面形狀，提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。同時(shí)，在實(shí)際工程建設(shè)前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，準(zhǔn)確評估橋梁的風(fēng)致顫振性能，為橋梁的安全運(yùn)營提供保障。結(jié)論與展望主要發(fā)現(xiàn)本研究通過風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與風(fēng)攻角是影響橋梁風(fēng)致顫振臨界風(fēng)速的關(guān)鍵因素，不同風(fēng)攻角下橋梁顫振臨界風(fēng)速存在差異。同時(shí)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法在橋梁風(fēng)致顫振研究中的有效性，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)。創(chuàng)新點(diǎn)綜合運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，全面考慮多種復(fù)雜因素，建立了更貼近實(shí)際的橋梁風(fēng)致顫振研究模型，提高了對橋梁風(fēng)致顫振預(yù)測的準(zhǔn)確性。實(shí)踐意義研究成果可為大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，有助于優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低風(fēng)致顫振風(fēng)險(xiǎn)，保障橋梁的安全可靠運(yùn)營，具有顯著的工程實(shí)踐價(jià)值。未來研究方向未來可進(jìn)一步研究復(fù)雜風(fēng)場環(huán)境（如紊流、陣風(fēng)等）對橋梁風(fēng)致顫振的影響，完善風(fēng)致顫振理論模型。同