考虑塔柱间干扰效应的双柱式桥塔随机风振响应及风荷载特性研究

目前桥塔风荷载的分析计算方法是通过单一的等效静阵风系数考虑脉动风引起的共振响应影响，在大多数情况下会过大地给出了桥塔设计风荷载，另一方面针对横风向风荷载又存在考虑不足问题，尤其在双柱式桥塔中，桥塔风荷载的计算理论和方法也不甚明确。针对这一现象，本项目拟通过数值模拟或高频测力试验的手段，研究桥塔塔柱间干扰效应及其静风荷载与脉动风荷载特性，通过考虑塔柱形状、结构阻尼比、塔柱间距等主要因素的桥塔气弹模型风洞试验，探明影响桥塔风致振动响应的关键因素及其规律。进一步利用实测和人工合成的脉动风荷载进行桥塔随机风振响应分析，并与试验结果进行比较，发展双柱式桥塔随机风振响应分析方法。最后根据位移或内力等效原则，建立可以考虑多种因素的双柱式桥塔随机风振荷载计算理论和方法。

针对典型双柱式桥塔的风荷载和风致振动问题，本项目利用分段测力试验方法，CFD数值模拟，气弹模型试验等手段，对桥塔塔柱风荷载系数、抖振响应和等效风荷载开展了研究。项目已经完成了计划书任务内容。.项目首先设计了一组塔柱节段模型，利用分段测力试验方法，对典型矩形断面、内挖矩形断面、圆形倒角断面、切角矩形断面等进行了静气动力系数的研究，获得了双柱式桥塔塔柱风荷载与塔柱长宽比、塔柱间距以及风偏角的影响特性。研究结果表明上下游塔柱的风荷载存在明显差异，下游塔柱的阻力系数受间距影响以及长宽比的影响都很显著。四种断面的风荷载系数比较发现，在长宽比1:1的条件下，矩形截面的风阻系数最大，圆倒角次之、内挖角排后、方导角阻力系数最小；但随着长宽比的增加，这种排序则没有明显规律可循；并且，经过气动优化后的截面风阻系数均小于矩形截面。然后，本项目利用谐波合成法编制了风场模拟程序，实现了空间脉动风场的随机模拟，为后续的抖振时域响应分析提供了基础。此外，针对一座人形门式钢塔的风荷载和风振响应开展了节段模型测力、CFD数值模拟与气弹模型试验研究。研究获得了该桥塔塔柱间气动干扰效应及其规律。结果表明，在横桥向风作用下，上游塔柱的阻力系数约为下游塔柱的4.7倍，下游塔柱的升力系数约为下游塔柱的5倍，并且干扰效应随着风偏角增大逐渐减小，其影响范围在30度风偏角之内。该桥塔的气弹模型试验表明，风致抖振响应受风偏角响应非常明显，并且最大风荷载响应和抖振响应并不是发生在0度或90度风偏角，风荷载与抖振响应的风偏角效应应在结构抗风设计过程中引起充分重视。最后，基于抖振分析理论，编制了桥塔抖振响应分析程序，对桥塔的抖振响应进行了时域分析，研究了阵风响应系数Gv与结构阻尼比、结构频率、结构质量、来流风速、风场等相互关系。结果表明，阵风响应系数Gv随着结构阻尼比的增加逐渐降低，随着结构频率的增加逐渐降低，并且当频率增加到0.5Hz以后，阵风系数Gv则有所增加。同时，阵风响应系数随着风速的增加而增加，随着紊流度的增加而增加。