周志勇， 毛文浩

(1.同濟大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092；2.橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，上海 200092；3.上海市政設(shè)計研究總院，上海 200092)

地面效應(yīng)對近流線型斷面渦激共振性能的影響

周志勇1,2， 毛文浩3

(1.同濟大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092；2.橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，上海 200092；3.上海市政設(shè)計研究總院，上海 200092)

當(dāng)橋面接近地面時，地面的存在會使斷面的繞流情況與遠離地面時不同，有可能對主梁在風(fēng)荷載作用下的靜力和動力響應(yīng)產(chǎn)生不利的影響，而主梁離地高度將成為影響主梁氣動性能的重要因素?；陲L(fēng)洞試驗和計算流體動力學(xué)(CFD)相結(jié)合的方法，對存在地面效應(yīng)的近流線型斷面的渦激共振性能進行研究。首先，基于風(fēng)洞試驗獲得近流線型斷面在兩種粗糙度地面、三種風(fēng)攻角、四種離地高度下的渦激共振區(qū)間和振幅及其隨離地高度的變化規(guī)律，試驗結(jié)果表明，地面效應(yīng)會使得渦激共振區(qū)間提前但渦激共振幅值有所減小。其次，采用CFD識別各試驗工況下的斷面的繞流特征、鎖定區(qū)間和最大振幅，并通過靜態(tài)和動態(tài)流場可視化分析，分析了地面效應(yīng)對近流線型斷面渦激振動的影響機理。

地面效應(yīng)；近流線型斷面；St數(shù)；渦激共振；機理

來流在鈍體表面會發(fā)生附面層分離、分離剪切層卷起，形成旋渦交替脫落的流動現(xiàn)象，這種流動現(xiàn)象將引起結(jié)構(gòu)所受氣動力的周期性變化及結(jié)構(gòu)振動，這種空氣動力學(xué)現(xiàn)象稱為渦激振動。渦激振動是大跨度橋梁在低風(fēng)速下很容易出現(xiàn)的一種風(fēng)振現(xiàn)象，具有強迫和自激振動的雙重特性，是一種限幅振動。盡管渦激振動不會像顫振或馳振那樣導(dǎo)致發(fā)散，但由于是低風(fēng)速下常易發(fā)生的振動，且振幅之大足以影響行車安全，甚至可能誘發(fā)拉索參數(shù)共振等其他類型致命的氣動不穩(wěn)定。因此，在現(xiàn)代橋梁在抗風(fēng)設(shè)計中，以滿足顫振檢驗風(fēng)速為首要設(shè)計目標(biāo)，對于主梁渦激振動性能的設(shè)計也提升到了重要的位置。

當(dāng)橋面接近地面時，地面使斷面的繞流與在遠離地面時的情況不同，我們可以引用空氣動力學(xué)中的概念，稱這種現(xiàn)象為“地面效應(yīng)”。 目前為止，國內(nèi)外學(xué)者在橋梁斷面靜力響應(yīng)、渦振和顫振性能研究方面還沒有關(guān)于橋梁離地高度對橋梁氣動響應(yīng)影響的系統(tǒng)研究。而現(xiàn)有的或在建的橋梁中，卻存在不少離地高度較低的橋梁，例如深港通道橋等。位于水庫上方的橋梁，隨著水位的上漲，其橋面高度也會相對的降低，更加貼近水面。

關(guān)于“地面效應(yīng)”的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域，其中大部分研究是針對機翼進行，基本采用風(fēng)洞試驗的方法[1-13]及數(shù)值模擬的方法[14-18]進行研究。國內(nèi)外學(xué)者針對橋梁斷面渦激振動進行了諸多研究[19-27]，但考慮地面效應(yīng)對渦激振動影響的系統(tǒng)研究則幾乎沒有。與航空領(lǐng)域類似，可以預(yù)見，當(dāng)橋梁離地較低時，由主梁和地面所形成的“通道”將對氣流產(chǎn)生阻礙或者加速作用，而這種作用反過來又會對主梁的氣動力產(chǎn)生影響，這對主梁在風(fēng)荷載作用下的渦激共振性能必然產(chǎn)生影響。因此考慮地面效應(yīng)對橋梁渦激共振性能的影響研究具有實際工程意義。

本文通過風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬兩種方法研究了地面效應(yīng)對近流線型斷面渦激共振性能的影響機理。首先，采用剛體節(jié)段模型測振風(fēng)洞試驗進行不同離地高度、兩種地面粗糙度情況下的渦激振動試驗，獲得到豎向渦激振動的鎖定區(qū)間和最大振幅。最后，采用CFD識別各試驗工況下的斷面的繞流特征及鎖定區(qū)間和最大振幅，通過對靜態(tài)和動態(tài)流場分析來研究地面效應(yīng)的對近流線型斷面渦激振動的影響機理。

1 近流線型斷面測振風(fēng)洞試驗

1.1 節(jié)段模型設(shè)計

近流線型斷面測振節(jié)段模型要求模型整體具有較大剛性。本次試驗?zāi)Ｐ烷L度L=1.2 m，高度h=0.047 m，寬度B=0.364 7 m，整個模型長寬比約為3.3。模型斷面設(shè)計如圖1所示。模型離地高度布置如圖2所示。紊流場下粗糙條布置和節(jié)段模型順風(fēng)向位置如圖3所示。其中，模型的離地高度H為模型底面至地面(均勻流場)或粗糙條頂面(紊流場)的距離；粗糙條高度d=0.05B，尺寸為0.018 m×0.018 m×2.4 m，中心間距0.108 m，凈距k=5d=0.9 m，共24條。

圖1 渦激振動節(jié)段模型斷面圖(mm)Fig.1 Section model for vortex-induced vibration(mm)

圖2 模型離地高度示意圖(mm)Fig.2 Model height from the ground(mm)

圖3 模型順風(fēng)向位置布置示意圖(mm)Fig.3 Wind direction and location model (mm)

測振節(jié)段模型試驗在同濟大學(xué)TJ-2風(fēng)洞中進行。渦激振動試驗在無地面粗糙條(均勻流場)和有地面粗糙條(紊流場)兩種不同地面粗糙度情況下進行。兩種地面粗糙度情況下，針對渦激振動分別進行了+3°、0°、-3°三個攻角，4個離地高度(H/B=0.2、H/B=0.4、H/B=0.6、H/B=∞)的試驗。試驗主要針對豎彎渦振進行，并測得豎彎渦振振幅和鎖定區(qū)間。

剛體節(jié)段模型通過八根彈簧彈性懸掛在風(fēng)洞的支架中，圖4給出了模型裝置示意圖。試驗通過調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的質(zhì)量和質(zhì)量慣矩并配以適當(dāng)剛度和間距的彈簧，來調(diào)整模型的豎向頻率和扭轉(zhuǎn)頻率達到預(yù)期值。試驗通過在斷面前端布置皮托管和微壓計來進行風(fēng)速測量。渦激振動現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)的阻尼密切相關(guān)。為此，在進行風(fēng)洞試驗之前，對結(jié)構(gòu)的阻尼進行了測量。為保證結(jié)構(gòu)阻尼測量準確，經(jīng)過多次測量后得到結(jié)構(gòu)豎彎阻尼為1.5‰。節(jié)段模型安裝示意圖如圖5所示。

(a) 無地面 (b) 有地面圖4 節(jié)段模型安裝示意圖Fig.4 Sketch of the testing device

(a) 均勻流場

(b) 紊流場

(c) 無地面圖5 節(jié)段模型風(fēng)洞安裝示意圖Fig. 5 Sectional model in the wind tunnel

模型安裝完成后，測得渦激振動節(jié)段模型系統(tǒng)質(zhì)量為m=5.036 kg/m，豎彎頻率為fh=8.1 Hz。由于渦振通常發(fā)生的風(fēng)速較低，因此，選擇了較為剛性的彈簧，以提高模型的豎彎振動頻率。本次研究僅針對豎彎渦振進行，因此對扭轉(zhuǎn)頻率不做太多要求，但保證了扭轉(zhuǎn)頻率遠離豎彎頻率，避免渦振區(qū)間相互影響。

1.2 紊流場風(fēng)剖面和湍流度剖面測試

紊流場的平均風(fēng)剖面和湍流度剖面如圖6所示。流場的參考風(fēng)速以皮托管和微壓計來監(jiān)控和測量，采用眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀進行風(fēng)速和湍流度數(shù)據(jù)采集。試驗來流風(fēng)速取為5 m/s和15 m/s。測點位置布置在流線型斷面所在位置中心處。測點高度離粗糙條頂部距離分別為6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm、11 cm、12 cm、13 cm、14 cm、15 cm、16 cm、18 cm、20 cm、22 cm、24 cm和30 cm，共16個高度。試驗得到平均速度和湍流度各16個，可以認為能夠反映有紊流場的平均速度剖面和湍流度剖面。

由圖6可以看出，15 m/s來流和5 m/s來流所形成的邊界層剖面有很好的一致性，說明了本次試驗粗糙條的布置能夠在斷面所在位置形成穩(wěn)定的剖面。粗糙條形成了一定厚度的風(fēng)剖面和湍流度剖面，剖面的高度在15～20 cm左右，即相當(dāng)于離地高度H=(0.4-0.5)B處。粗糙條形成的邊界層剖面較陡，平均風(fēng)速和湍流度沿高度變化較快。

平均風(fēng)剖面 湍流度剖面圖6 平均風(fēng)剖面及湍流度剖面試驗值Fig.6 The average wind profile andturbulence profile test value

2 地面效應(yīng)對渦激共振區(qū)間及振幅影響

根據(jù)節(jié)段模型試驗結(jié)果，斷面在均勻流場和紊流場中，不同離地高度和不同風(fēng)攻角下的豎彎渦振位移曲線如圖7所示。圖7顯示：

(1)均勻流場情況下，地面效應(yīng)對豎彎渦振鎖定區(qū)間的大小基本沒有影響，但能使豎彎渦振提前發(fā)生，最大向前偏移風(fēng)速約1 m/s左右。這表明在遠場來流速度一致時，地面效應(yīng)使得斷面的旋渦脫落頻率增大，從而使渦激共振提前發(fā)生。這也與文獻[10]中地效對圓柱氣彈響應(yīng)影響的研究結(jié)論相同。具體原因?qū)⒃诘?節(jié)進行解釋。

(a) 均勻流場+3°攻角

(b) 紊流場+3°攻角

(c) 均勻流場0°攻角

(d) 紊流場0°攻角

(e) 均勻流場-3°攻角

(f) 紊流場-3°攻角

(2)紊流場情況下，離地高度較小時，由于渦振現(xiàn)象對湍流度較為敏感，湍流度增加能使渦振振幅減小，間接導(dǎo)致渦振區(qū)間縮小。斷面距地面一定高度以上，地面粗糙度對渦振區(qū)間基本沒有影響。

(3)地面效應(yīng)對豎彎渦振振幅的影響在不同風(fēng)攻角下有不同的表現(xiàn)。+3°攻角下，地面效應(yīng)使得豎彎渦振振幅隨著離地高度降低而降低。0°攻角下，地面效應(yīng)對豎彎渦振振幅影響不明顯。在-3°攻角下，地面效應(yīng)使振幅略微提高，影響也不明顯。

(4)均勻流場和紊流場結(jié)果比較可以看出，相同離地高度，相同攻角情況下，兩種地面粗糙度下的渦振區(qū)間的偏移量大致相同，最大振幅所對應(yīng)的風(fēng)速也基本相同。

3 地面效應(yīng)對渦激共振區(qū)間及振幅影響的數(shù)值模擬

3.1 計算模型、計算區(qū)域和工況

采用ANSYS提供的FLUENT有限體積法求解器進行主梁斷面繞流流場的數(shù)值計算。對于計算域的選擇，要滿足計算精度的要求，同時也不能夠過大的增加計算量。數(shù)值模擬的計算域選取如圖8所示，圖中，B為斷面寬度，h為斷面高度，H為斷面底面離地高度。即入口位于斷面前端10B距離處，出口位于斷面后端20B距離處，上邊界距斷面頂面15h。

由于地面效應(yīng)對近流線型斷面渦激共振的影響規(guī)律具有一致性，本文在此僅針對斷面在+3°攻角、均勻流場H/B=0.2、均勻流場H/B=∞二個工況的豎彎渦激振動進行數(shù)值模擬，H取值分別為0.2B和15h。

圖8 計算域示意圖Fig. 8 Overview of computational domainand boundary conditions

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用ANSYS ICEM CFD軟件，采用二維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。為了解決動網(wǎng)格中網(wǎng)格畸變問題，盡量避免負體積產(chǎn)生，采取了文獻[11]的網(wǎng)格劃分方法。將計算域分為剛性運動區(qū)域、動網(wǎng)格區(qū)域和靜止網(wǎng)格區(qū)域三塊區(qū)域。剛性運動區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格劃分，并劃分邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度設(shè)為0.000 1 m，以保證模擬精確性。這部分網(wǎng)格隨著橋梁斷面一起運動，運動過程中不進行網(wǎng)格光順和局部重構(gòu)。動網(wǎng)格區(qū)域全部采用三角形網(wǎng)格進行劃分，由于這部分網(wǎng)格已經(jīng)遠離結(jié)構(gòu)，可采用較大的網(wǎng)格，在網(wǎng)格重構(gòu)的過程中不容易出現(xiàn)負體積。最外層靜止網(wǎng)格區(qū)域采用四邊形和三角形混合網(wǎng)格，并在計算過程中不進行網(wǎng)格光順和重構(gòu)，可保證計算效率。

U0.2工況整個區(qū)域總網(wǎng)格大約在15萬左右，UINF工況區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為61 766。圖9給出了計算域全局網(wǎng)格劃分示意。

(a) H/B=0.2

(b) H/B=∞圖9 全局網(wǎng)格劃分示意
Fig. 9 Overview of mesh of the computational domain

3.3 湍流模型及邊界條件

本次計算采用二維非定常(Transient)分離式求解器。對于均勻流場，選取了SSTk-ω進行計算。

邊界條件：入口采用速度入口(velocity-inlet)。來流湍流強度I=0.5%，湍流黏性比為10%；出口采用相對壓力為0的壓力出口(pressure-outlet)；上邊界采用對稱邊界條件(symmetry)；下邊界在考慮地面和不考慮地面效應(yīng)情況下分別采用無滑移壁面(wall)和對稱邊界條件(symmetry)；斷面采用無滑移壁面(wall)；動網(wǎng)格區(qū)域和靜止網(wǎng)格區(qū)域的分界采用交界面(interface)邊界條件；壓力-速度耦合方式采用SIMPLEC；物理時間步長均設(shè)置為0.000 2 s。

3.4 渦激振動計算流程

渦激振動的數(shù)值計算，是流固耦合問題。在一個時間步內(nèi)，依次計算流體方程和剛體運動方程，并基于兩者之間的數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)兩個場的耦合求解。首先，讓斷面固定，先進行靜態(tài)繞流計算，直至流場穩(wěn)定后。當(dāng)靜態(tài)繞流計算穩(wěn)定后，通過UDF進行渦激振動計算。具體過程為：通過FLUENT的用戶自定義函數(shù)UDF中的宏Compute_Force_And_Moment提取作用在斷面上的氣動力，并將Newmark-β方法通過用戶自定義函數(shù)(UDF)嵌入到Fluent中求解結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，再通過DEFINE_CG_MOTION來指定斷面運動速度，位移則由運動速度與時間步長的乘積求出，從而進行斷面位置和網(wǎng)格更新。網(wǎng)格更新采用彈性光順和局部網(wǎng)格重構(gòu)法，通過設(shè)置合適的擴散參數(shù)，保證更新后的網(wǎng)格質(zhì)量。

3.5 地面效應(yīng)對渦激共振區(qū)間及振幅影響

豎彎渦激振動數(shù)值模擬針對+3°攻角、H/B=0.2和H/B=∞兩種離地高度進行。數(shù)值模擬的模型參數(shù)與試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)相同。豎彎阻尼比取1.5‰。其中，工況一：離地高度H/B=0.2。采用風(fēng)速連續(xù)計算格式進行，連續(xù)風(fēng)速為2.9～5.3 m/s，共9個風(fēng)速點。工況二：離地高度H/B=∞。采用風(fēng)速連續(xù)計算格式進行，連續(xù)計算風(fēng)速為3.7～6.5 m/s，共12個風(fēng)速點。

圖10為采用風(fēng)速連續(xù)計算的豎彎位移時程隨風(fēng)速連續(xù)變化曲線。圖11為渦激共振區(qū)間及振幅值得計算結(jié)果。根據(jù)圖10及圖11表明：本文的數(shù)值方法能夠較好的捕捉到渦激振動現(xiàn)象，數(shù)值計算所得到的不同流場、不同高度下的鎖定區(qū)間和最大振幅與試驗結(jié)果較吻合，但最大振幅的數(shù)值模擬結(jié)果大于試驗結(jié)果，這可能是數(shù)值模擬采用二維計算模型引起。本文的模擬方法能夠較為準確的捕捉到渦激共振現(xiàn)象，值得借鑒。

(a) H/B=0.2

(b) H/B=∞圖10 采用風(fēng)速連續(xù)計算的豎彎位移時程隨風(fēng)速連續(xù)變化曲線Fig. 10 Time history curve of vertical displacementwith the continuous varying of wind speed

H/B=0.2 H/B=∞圖11 渦激共振區(qū)間及振幅值數(shù)值計算結(jié)果Fig.11 The responses of vertical VIV of the calculatedvalue and the wind tunnel test

4 地面效應(yīng)對豎彎渦振的影響機理

4.1 靜態(tài)繞流流場形態(tài)分析

在分析渦激振動動態(tài)繞流的流場之前，先對結(jié)構(gòu)在均勻流場下地靜態(tài)繞流流場進行分析及判斷。

對于結(jié)構(gòu)靜態(tài)繞流的數(shù)值模擬，采用4.1節(jié)相同的計算模型，計算區(qū)域和邊界條件，取消動網(wǎng)格設(shè)置，來流速度設(shè)置為4 m/s。為了獲得更加豐富的流場信息，對于均勻流場靜態(tài)繞流采用了基于SSTk-ω的二維DES湍流模型。

圖12給出了斷面在+3°攻角，H/B=0.2和H/B=∞兩種離地高度下的瞬時渦量場。由圖12可知：均勻流場中兩個離地高度的流場具有很大的相似性。迎風(fēng)側(cè)欄桿流動分離形成了強烈的周期性旋渦脫落+遷移現(xiàn)象，這種周期性旋渦脫落+遷移將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的作用力，從而導(dǎo)致渦激振動的發(fā)生。

(a) H/B=0.2

(b) H/B=∞圖12 不同離地高度下的瞬時渦量Fig. 12 Instantaneous vorticity under different height from the ground

圖13給出兩個計算工況斷面的升力系數(shù)和對應(yīng)的頻譜圖。從圖13可以看出，兩種計算工況下，升力系數(shù)都存在多個卓越頻率。特別地，對于均勻流場的H/B=0.2和H/B=∞兩種情況，頻譜圖中最高幅值對應(yīng)的無量綱頻率，即斯托羅哈數(shù)為0.994 6和0.801 2，即相當(dāng)于結(jié)構(gòu)豎彎渦振的起始風(fēng)速分別為2.97 m/s和3.69 m/s，這與圖11所示的渦激共振區(qū)間及振幅值數(shù)值計算結(jié)果以及風(fēng)洞試驗起振風(fēng)速均相當(dāng)?shù)匚呛?。均勻流場中，地面存在時，來流風(fēng)速相同時斷面的斯托羅哈數(shù)較大，即旋渦脫落頻率較大。

(a) H/B=0.2 (b) H/B=∞圖13 不同離地高度下升力系數(shù)時程頻譜Fig.13 Lift coefficient spectrum underdifferent height from the ground

4.2 動態(tài)繞流形態(tài)分析

渦激振動具有自激的特性，橋梁斷面達到相對穩(wěn)定狀態(tài)后，流場形態(tài)與結(jié)構(gòu)位移之間的耦合作用也達到相對穩(wěn)定。因此，對發(fā)生渦激振動下典型振動位置的流場進行分析是有意義的。針對上述工況一及工況二，根據(jù)結(jié)構(gòu)位移時程，選擇時間為t1=0，t2=1/4T，t3=2/4T，t4=3/4T共4個位置進行分析，此時斷面達到最大振幅。時間點如圖14所示。兩個工況渦量場、壓力場和速度場分別如圖15所示。

圖14 時間點示意圖Fig. 14 Different time points

(1) 均勻流場中兩個離地高度的瞬態(tài)流場具有很大的相似性。來流在迎風(fēng)側(cè)欄桿流動分離形成了強烈的周期性旋渦脫落+漂移現(xiàn)象，而一個旋渦對應(yīng)一個升力面，旋渦漂移對應(yīng)升力面的漂移。這種周期性旋渦脫落+漂移將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的作用力，從而導(dǎo)致渦激振動的發(fā)生。

(2) 地面效應(yīng)的存在使旋渦脫落及漂移速度加快，即旋渦脫落頻率加快，St增大，這是由于地面附面層帶來的影響總體上減緩了斷面下腹板與地面區(qū)域之間的流速(相對來流速度)，從而在一方面加強了上緣分離點的流動分離，使斷面上方的旋渦脫落加劇，豎彎渦振區(qū)間提前。這與5.1節(jié)結(jié)論一致。

圖15 不同離地高度下渦量、壓力場Fig. 15 The vorticity, the pressure field underdifferent height from the ground

(3) 地面效應(yīng)的存在使脫落旋渦誘導(dǎo)的升力面離橋面距離增大，對斷面氣動力作用減弱，這可導(dǎo)致渦激共振幅值減小，這與第3節(jié)結(jié)論一致。

5 結(jié)論

本文通過風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬兩種方法研究了地面效應(yīng)對近流線型斷面渦激共振性能的影響機理。具體研究結(jié)論如下：

(1) 均勻流場情況下，地面效應(yīng)對豎彎渦振鎖定區(qū)間的大小基本沒有影響，但能使豎彎渦振提前發(fā)生。這表明地面效應(yīng)會使得遠場來流風(fēng)速相同時斷面的旋渦脫落頻率增大，從而使渦激共振提前發(fā)生。

(2) 紊流場情況下，離地高度較小時，由于渦振現(xiàn)象對湍流度較為敏感，湍流度增加能使渦振振幅減小，間接導(dǎo)致渦振區(qū)間縮小。斷面距地面一定高度以上，地面粗糙度對渦振區(qū)間基本沒有影響。

(3) 地面效應(yīng)對豎彎渦振振幅的影響在不同風(fēng)攻角下有不同的表現(xiàn)，總體上表現(xiàn)為隨離地距離的減小，最大渦激共振振幅隨之較小，但影響均不明顯。

(4) 靜、動態(tài)流場顯示：來流在迎風(fēng)側(cè)欄桿流動分離形成了強烈的周期性旋渦脫落+漂移現(xiàn)象，旋渦漂移對應(yīng)升力面的漂移。這種周期性旋渦脫落+漂移將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的作用力，從而導(dǎo)致渦激振動的發(fā)生。地面效應(yīng)的存在使旋渦脫落及漂移速度加快，即旋渦脫落頻率加快，St增大，但旋渦對斷面氣動力作用減弱。

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Ground effects on vortex-induced vibrations of a closed box girder

ZHOU Zhiyong1，2，MAO Wenhao3

(1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Ministry of Communications for Bridge Structure Wind resistance, Shanghai 200092, China;3.Shanghai Municipal Design & Research Institute , Shanghai 200092, China)

As many existing or under-construction bridges are of lower height from the ground, the ground may have an adverse influence on the aerostatic and aerodynamic performances of bridges under wind loads. Wind tunnel tests and numerical simulations were adopted to study the ground effects on the vortex-induced vibrations of a closed box girder for illustration. The lock-in phenomena of vortex-induced vibrations over a range of wind velocities, the maximum amplitudes and their correlation with the height of the closed box girder apart from the ground under two different ground roughnesses were investigated by wind tunnel tests. The results show that the ground effect makes the vortex-induced phenomena occur in advance. Moreover, CFD (computational fluid dynamic) numerical simulations were carried out to study the lock-in phenomena, the maximum amplitudes and their correlation with the height of the girder under two different ground roughnesses. Through the CFD analysis on the flow fields around the girder, the mechanism of ground effect on the vortex-induced vibrations of closed box girders was described.

ground effect；closed box girder；St number；vortex-induced vibration；mechanism

2015-11-25 修改稿收到日期： 2016-02-19

周志勇 男，博士，研究員，1971年6月生

Tu279.7+2

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.026