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毕业论文参考文献解析

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静力三分力

静力三分力系数是表征桥梁结构静风荷载的一组无量纲参数。

它既是反映桥梁结构静风荷载的重要指标，也是研究桥梁结构气动问题的基础。

同时在抖振响应研究中，它是抖振力表达式中反映抖振力随来流攻角变化规律的一个重要参数。

静力三分力系数的准确获取，对桥梁结构静风荷载、静风稳定性、祸激振动及抖振研究均具有十分重要的意义。

静风荷载往往是大跨径桥梁的控制设计荷载，因此在设计阶段，要求精细地预测桥梁的各组成部分所受到的风荷载。

目前，桥梁抗风研究中测定三分力系数主要有风洞试验和数值模拟两种手段。

风洞试验可以比较准确地控制流动参数，是当前桥梁抗风研究中测定三分力系数的主要手段。

数值模拟是近年来伴随计算机技术和计算流体动力学理论的发展而兴起的一种研究手段。

随着桥梁跨度的增大使其结构愈轻柔化，导致其结构刚度和阻尼的降低，对风致振动愈发敏感，以致其在风载作用下产生的振动响应会造成桥梁的疲劳和使用上的不舒适。

因此，采取有效措施来抑制大跨度桥梁结构的振动响应具有重要研究意义。

然而，为满足结构动力性能的各种制振措施可能影响到结构的静力稳定性，所以需要研究各种制振措施对静三分力系数的影响，以便研究结构静力稳定性。

由于大跨度桥梁的轻柔化，有时结构的静力失稳临界风速小于颤振临界风速，所以研究结构的静力稳定性本身具有重要意义。

浸没在气流中的任何物体，都会受到气流的作用，气流绕过一般为非流线型的桥梁结构时，会产生静风荷载的三个分量，桥梁结构断面在风的作用下，在忽略其自身振动的条件下，可以视为风场中固定不动的一个刚体。

来流经过这一刚体时，必然会发生绕流现象，使得流线分布发生改变。

在任意一根流线上，依据伯努利方程：

式中，

为空气密度；

为来流速度；

为压强

从伯努利方程中可以得到，在桥梁断面表面那些流动较快的点上，压强

将小于流动较慢点上的对应值。

对桥梁断面表面压强的积分值沿竖向分解就得到桥梁所受的升力荷载，这个力也可以直接由节段模型风洞试验测得；同理，其水平分量就是桥梁所受的风阻力荷载。

此外，由于升力与阻力的合力作用点往往与桥梁断面的形心不一致，于是还会产生对形心的扭矩。

按体轴坐标系和风轴坐标系可以测得桥梁结构的三分力，即阻力

、升力

、和扭矩

，而在风轴坐标系下的三分力分别记为阻力

、升力

、和扭矩

，如图1所示

图1风轴与体轴坐标下的静风荷载

两种坐标系中的三分力可以由下式转化：

式中，

为风向角。

因此，在其它条件不变的情况下，形状上相似的两个截面的静力风荷载大小应当与它们的特征尺寸成一定比例。

这样，引入无量纲参数—静力三分力系数，来描述具有相同形状截面的静力三分力的共同特性。

利用静力三分力系数，在体轴坐标系下，可以将静力风荷载表示为：

阻力

升力

扭矩

式中：

为离断面足够远的上游来流平均风速；

为空气密度,一般取

；

、

、

分别为体轴坐标系下的阻力系数、升力系数与扭矩系数；

、

分别为桥梁断面高度与宽度；以上三个公式表示了单位长度内的风荷载。

风轴坐标系下，阻力、升力、及扭矩的系数分别为

、

、

。

以阻力

为例，静力三分力的意义可以表示为：

是远方来流的动压，而

与无量纲的

（以阻力为例）的乘积是因断面阻碍而造成的动压损失，它转化成了断面的静压变化，这个静压与断面高度的乘积就是单位长度上的阻力。

风轴坐标系下的三分力系数与体轴坐标系下的三分力系数之间存在以下转换关系：

由此可以看出，静风荷载与风攻角

有关，三分力系数是攻角

的函数。

2.5基于SIMPLE算法的流场计算

控制方程被离散化后，就可以进行求解，而流场计算求解的本质是对离散方程组的求解。

离散方程组的求解方法主要包括耦合求解法和分离求解法两种[62]，如图3所示。

隐式求解法

耦合求解法显隐式求解法

显式求解法

流场求解计算方法涡量-流函数法

非原始变量法

涡量-速度法

分离求解法压力修正法

原始变量法压力泊松方程法

人工压缩法

（二）建筑物表面某测点的压力系数

式中，

为作用在结构表面某点

的静压力；

为空气密度，本文均取

；

为参考高度处（本文取为桥塔顶部）远前方的平均风速；

为参考高度处远前方的静压。

在得到建（构）筑物某一面各点的压力系数值后，对其进行加权平均，可以得到该表面的风载体型系数

，即：

式中：

为建筑物截面

的风载体型系数；

为压力系数

的测点所代表的表面积；

为建筑物截面

的面积。

由于沿建（构）筑物高度方向各点的压力系数值不同，因此，实际计算时可沿高度分区域进行，在每个区域内可认为其风载体型系数和风压高度变化系数均为常值。

从上述公式可以看出，当建筑物外型复杂，特别是存在邻近建筑物的干扰时，建筑物表面的压力系数值会发生根本变化，从而导致风载体型系数产生很大差异。

桥梁的静力风荷载一般采用三分力来描述，即气流流经桥梁时，由于截面表面的风压分布存在差别，上下表面压强差的面积分就是桥梁所受的升力荷载，而迎风前后表面压强差的面积分则是桥梁所受的风阻力荷载，即通常所说的横风向力；此外，当升力与阻力的合力作用点与桥梁截面的形心不一致时，还会产生对形心的扭矩。

三分力系数即是上述静气动力系数，反映桥梁截面在均匀流中承受的静风荷载大小。

该系数通常是在风轴坐标系下，由节段模型风洞试验测定获得。

建筑物处于风流场中，风力在建筑物表面上的分布是不均匀的，风作用在建筑物表面的不同部位将引起不同的风压值，此值与来流风压之比称为风载体型系数。

风载体型系数表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型和尺寸有关。

目前要完全从理论上确定受风力作用的任意形状物体的压力分布尚做不到，一般均通过风洞试验确定风载体型系数。

风是地球表面的一种自然现象，人类社会能够定量估算风致作用的历史始于“第一位土木工