Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hành vi phi tuyến do gió gây ra của cầu dầm đôi với các hình dạng khí động học khác nhau
Tóm tắt
Các dao động phi tuyến do gió gây ra của cầu dầm đôi rất nhạy cảm với hình dạng khí động học của mặt cầu (tỷ lệ chiều rộng khe hở (SWR) và hình dạng chắn gió) do đặc điểm dòng chảy phức tạp xung quanh mặt cầu. Bài báo này trình bày một mô hình phần tử hữu hạn (FE) hoàn chỉnh trong miền thời gian, bao gồm một mô hình lực khí động học phi tuyến và một mô hình cầu FE, nhằm cho phép điều tra hành vi dao động phi tuyến của cầu dầm đôi spans dài với các SWR và hình dạng chắn gió khác nhau. Các thông số trong mô hình FE tích hợp được xác định trước tiên thông qua mô phỏng CFD, sau đó, mô hình đề xuất được xác nhận bằng cách tiến hành thử nghiệm trong đường hầm gió sử dụng các mô hình cắt và mô hình khí động lực toàn cầu của cầu. Kết quả cho thấy mô hình tích hợp phát triển có khả năng mô phỏng các hành vi lắc phi tuyến của cầu dầm đôi với các hình dạng khí động học khác nhau. Hơn nữa, các kết quả dự đoán cho thấy rằng hình dạng chắn gió có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ tham gia tự do trong dao động kết hợp và các chế độ hỏng, cũng như hiệu suất lắc của cầu. Ngoài ra, có sự gia tăng biên độ của các dao động chu kỳ giới hạn khi tỷ lệ chiều rộng khe hở SWR của cầu dầm đôi tăng, và các mối quan hệ giữa dao động kết hợp uốn-vặn, các chế độ hỏng và SWR của các cầu với các chắn gió đối xứng ngược lại với các cầu có chắn gió đối xứng.
Từ khóa
#cầu dầm đôi #dao động phi tuyến #khí động học #mô hình phần tử hữu hạn #mô phỏng CFD #đường hầm gióTài liệu tham khảo
Shirai, S., Ueda, T.: Aerodynamic simulation by CFD on flat box girder of super-long-span suspension bridge. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 91, 279–290 (2003)
Yang, Y.X., Wu, T., Ge, Y.J., Kareem, A.: Aerodynamic stabilization mechanism of a twin-box girder with various slot widths. J. Bridge Eng. 20(3), 04014067 (2015)
Abdel-Rohman, M., Spencer, B.F.: Control of wind-induced nonlinear oscillations in suspended cables. Nonlinear Dyn. 37(3), 341–355 (2004)
Arena, A., Lacarbonara, W.: Nonlinear parametric modeling of suspension bridges under aeroelastic forces: torsional divergence and flutter. Nonlinear Dyn. 70(3), 2487–2510 (2012)
Larsen, A., Larose, G.L.: Dynamic wind effects on suspension and cable-stayed bridges. J. Sound Vib. 334(5), 2–28 (2015)
Poirel, D., Price, S.J.: Bifurcation characteristics of a two-dimensional structurally non-linear airfoil in turbulent flow. Nonlinear Dyn. 48(3), 423–435 (2017)
Wu, T., Kareem, A., Ge, Y.J.: Bridge aerodynamics and aeroelasticity: a comparison of modeling schemes linear and nonlinear aeroelastic analysis frameworks for cable-supported bridges. Nonlinear Dyn. 74, 487–516 (2013)
Lacarbonara, W.: Nonlinear Structural Mechanics. Theory, Dynamical Phenomena, and Modeling, 1st edn. Springer, New York (2012). ISBN 978-1-4419-1275-6
Arena, A., Lacarbonara, W., Valentine, D.T., Marzocca, P.: Aeroelastic behavior of long-span suspension bridges under arbitrary wind profiles. J. Fluids Struct. 50, 105–119 (2014)
Arena, A., Lacarbonara, W., Marzocca, P.: Post-critical behavior of suspension bridges under nonlinear aerodynamic loading. J. Comput. Nonlinear Dyn. 11(1), 011005:1-11 (2015)
Zhang, Z.T., Zhang, X.X., Yang, Y.X., Ge, Y.J.: Nonlinear aerodynamic and energy input properties of a twin-box girder bridge deck section. J. Fluids Struct. 74, 413–426 (2017)
Scanlan, R.H., Tomko, J.J.: Airfoil and bridge deck flutter derivatives. J. Soil Mech. Found. Div. 97(5), 1717–1737 (1971)
Chen, X., Matsumto, M., Kareem, A.: Time domain flutter and buffeting response analysis for bridges. J. Eng. Mech. 126(1), 7–16 (2000)
Caracoglia, L., Jones, N.: Time domain vs. frequency domain characterization of aeroelastic forces for bridge deck sections. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 91(2), 371–402 (2003)
Salvatori, L., Borri, C.: Frequency-and time-domain methods for the numerical modeling of full-bridge aeroelasticity. Comput. Struct. 85, 675–687 (2007)
Diana, G., Resta, F., Rocchi, D.: A new numerical approach to reproduce bridge aerodynamic nonlinearities in time domain. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 96(10–11), 1871–1884 (2008)
Øiseth, O., Rönnquist, A., Sigbjörnsson, R.: Time domain modeling of self-excited aerodynamic forces for cable-supported bridges: a comparative study. Comput. Struct. 89, 1306–1322 (2011)
Wu, T., Kareem, A.: Bridge aerodynamics and aeroelasticity: a comparison of modeling schemes. J. Fluids Struct. 43, 347–370 (2013)
Wang, H., Tao, T., Zhou, R., Hua, X., Kareem, A.: Parameter sensitivity study on flutter stability of a long-span triple-tower suspension bridge. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 128, 12–21 (2014)
Ogawa, K., Shimodoi, H., Oryu, T.: Aerodynamic characteristics of a 2-box girder section adaptable for a super-long span suspension bridge. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 90, 2033–2043 (2002)
Sato, H., Hirahara, N., Fumoto, K., Hirano, S., Kusuhara, S.: Full aeroelastic model test of a super long-span bridge with slotted box girder. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 90, 2023–2032 (2002)
Ge, Y.J., Xiang, H.F.: Recent development of bridge aerodynamics in China. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 96, 736–768 (2008)
Kwok, K.C.S., Qin, X.R., Fok, C.H., Hitchcock, P.A.: Wind-induced pressures around a sectional twin-deck bridge model: effects of gap-width on the aerodynamic forces and vortex shedding mechanisms. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 110, 50–61 (2012)
Chen, W.L., Li, H., Hu, H.: An experimental study on the unsteady vortiexs and turbulent flow structures around twin-box-girder bridge deck models with different gap ratios. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 132, 27–36 (2014)
Miranda, S.D., Parruno, L., Ricci, M., Ubertini, F.: Numerical study of a twin box bridge deck with increasing gap ratio by using RANS and LES approaches. Eng. Struct. 99(15), 546–558 (2015)
Trein, C.A., Shirato, H.M., Matsumoto, M.: On the effects of the gap on the unsteady pressure characteristics of two-box bridge girders. Eng. Struct. 82(1), 121–133 (2015)
Yang, Y.X., Zhou, R., Ge, Y.J., Damith, M., Priyan, M.: Aerodynamic instability performance of twin-box girder for long-span bridges. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 145, 196–208 (2015)
Yang, Y.X., Zhou, R., Li, Y., Ge, Y.J.: Flutter performance of long-span twin-box girder bridges with different wind fairing forms. J. Vib. Eng. 28(5), 673–682 (2015). (In Chinese)
Matsuda, K., Cooper, K.R., Tanaka, H., Tokushige, M., Iwasaki, T.: An investigation of Reynolds number effects on the steady and unsteady aerodynamic forces on a 1:10 scale bridge deck section model. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 89, 619–632 (2001)
Wang, Q., Liao, H., Li, M.S., Xian, R.: Wind tunnel study on aerodynamic optimization of suspension bridge deck based on flutter stability. In: Proc. of Seventh Asia-Pacific Conference on Wind Engineering (2009)
Ito, Y., Shirato, H., Matsumoto, M.: Coherence characteristics of fluctuating lift forces for rectangular shape with various fairing decks. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 135, 34–45 (2014)
Haque, M.N., Katsuchi, H., Yamada, H., Nishio, M.: Investigation of edge fairing shaping effects on aerodynamic response of long-span bridge deck by unsteady RANS. Arch. Civ. Mech. Eng. 16(3), 888–900 (2016)
Zhou, R.: The nonlinear whole process analysis method of three-dimensional wind-induced effects of long span bridges. Doctoral Thesis, Tongji University, China (2017) (In Chinese)
Liu, S.Y., Ge, Y.J.: Fitting method of nonlinear differential equations for aerodynamic forces of bridge decks. In: The 12th Americas Conference on Wind Engineering, Seattle, USA (2013)
Rosenstein, M.T., Collins, J.J., De Luca, C.J.: A practical method for calculating largest Lyapunov exponents from small data sets. Physica D. 65, 117–134 (1993)