大跨径自锚式悬索桥气动参数的敏感性分析

基于桥梁多振型耦合的气弹性理论,建立了基于特征值问题的气动参数敏感性分析方法,并结合目前国内最大跨度的独塔和双塔自锚式悬索桥的风洞试验资料,分别探讨截面形状、气动阻尼、模态耦合、颤振导数、施工过程等对桥梁气动性能的影响.主要的分析结果表明:对于具有扁平流线型钢箱梁的自锚式悬索桥,其颤振临界风速的计算结果比较接近于薄平板,且绝大部分能量都集中到扭转振型上,表明对颤振发生时起主导作用的是扭转模态;结构阻尼的增加在一定范围内对抑制结构响应所起的作用明显;加劲梁的侧向摇摆运动对其竖向响应的影响非常显著.这些特点均表明此类自锚式悬索桥的空气动力性能与斜拉桥更为接近.图3,表4,参9.     

大跨自锚式悬索桥颤振稳定性的敏感性分析

基于桥梁多振型耦合的气弹性理论,建立了基于特征值问题的气动参数敏感性分析方法,并结合目前国内最大跨度的独塔和双塔自锚式悬索桥的风洞试验资料,分别探讨截面形状、气动阻尼、模态耦合、颤振导数等对桥梁气动性能的影响.分析结果表明:对于具有扁平流线型钢箱梁的自锚式悬索桥,其颤振临界风速的计算结果比较接近于薄平板,且绝大部分能量都集中到扭转振型上,表明对颤振发生起主导作用的是扭转模态;结构阻尼的增加在一定范围内对抑制结构响应所起的作用明显.以上特点表明自锚式悬索桥的空气动力性能与斜拉桥更为接近.     

大跨悬索桥施工过程颤振稳定分析

随着悬索桥跨径的不断增大，抗风稳定性成为控制桥梁设计与施工的最主要因素。尤其是在施工初期，结构的刚度比成桥要低得多，使得颤振临界风速最低，更容易发散。通过对主梁非对称拼装顺序以及采用临时的水平交叉加劲措施等方法的研究，讨论如何提高桥梁施工过程的颤振临界风速。分析结果表明，当主梁采用非对称施工时，会有效提高结构的等效质量，从而提高临界风速。当采用水平交叉索时，结构的抗扭刚度显著增加，同样增强了桥梁施工过程中的抗风稳定性。     

结构参数变化对自锚式悬索桥动力特性的影响

自锚式悬索桥的动力特性主要包括体系的自振频率和主振型,它是自锚式悬索桥动力分析的基础和前提.通过建立空间有限元模型及工程实例,给出了前20阶频率和相应的振型,分别计算了恒载、加劲梁刚度、塔架刚度、矢跨比等结构参数变化对自锚式混凝土悬索桥动力特性的影响,并与相同跨径和结构参数的1座地锚式悬索桥进行了比较,对影响规律做了详细的讨论.     

新技术护卫大跨度桥梁安全

中国的斜拉桥、悬索桥、拱式桥的跨度分别在1991年、1995年、2001年突破了400米,并且分别由上海杨浦大桥和苏通长江大桥、舟山西堠门大桥(最大跨度钢箱梁悬索桥)、上海卢浦大桥和重庆朝天门大桥等多次创造了这三种桥型跨度的世界记录. 桥梁结构的设计中,抗风安全性是需要着重考量的问题,其主要涉及极限设计风速下的动力稳定性——颤振发散.当桥梁结构颤振发散的临界风速小于设计风速时,就会发生颤振失稳,必须采用控制措施提高结构临界风速,这就是结构抗风安全控制技术.     

钢桁梁颤振气动优化措施攻角效应及分离式改善

钢桁梁是建造大跨悬索桥的常用主梁结构形式,其颤振稳定性较差,通常需要采用气动优化措施提高颤振临界风速.文中以某大跨度钢桁架悬索桥为工程背景,通过节段模型风洞试验测试颤振临界风速,探讨了中央稳定板、水平稳定板及上平联下侧稳定板等常规气动措施对该钢桁梁颤振临界风速的影响,发现常规气动措施对颤振临界风速的影响具有攻角效应.提出采用分离式的气动措施,包括分离式水平稳定板、格栅式水平稳定板、分离式上平联下侧稳定板.此类措施在一定程度上可以改善攻角效应,提高钢桁梁颤振临界风速.     

自锚式悬索桥空间耦合自由振动分析的理论研究

基于大位移非线性弹性理论的广义变分原理，考虑了加劲梁轴向压缩应变能和剪切应变能的影响，建立了三跨自锚式悬索桥空间耦合自由振动的大位移不完全广义势能泛函，通过约束变分导出了自锚式悬索桥的竖向挠曲振动、横向挠曲振动、纵向振动及扭转振动的基础微分方程，为自锚式悬索桥的固有振动性状分折提供可靠的理论依据。     

空间缆索体系对自锚式悬索桥的动特性影响研究

为了探索理想的自锚式悬索桥缆索体系以提高桥梁在地震作用下的稳定性,以吉林某自锚式悬索桥为工程实例,设计另外两种不同缆索体系的自锚式悬索桥。运用自振特性的研究方法对其自振特性进行分析;运用时程分析方法,对其自地震作用下的稳定性进行分析。结果表明：自锚式悬索桥采用内倾式空间缆索体系时,结构的侧弯及扭转频率增大,对动力特性有利;采用外倾式空间缆索体系时,结构的侧弯及扭转频率减小,对动力特性不利;在纵向地震波作用下,外倾式与平行缆索体系的结构响应更小;在横向地震波作用下,内倾式与平行缆索体系的结构响应更小。     

抗风缆对大跨悬索桥颤振控制的有效性研究

对斜拉式抗风缆的不同张拉力以及不同锚固形式进行比较,考察了抗风缆对大跨悬索桥颤振控制的有效性.用简支弹性梁的Rayleigh方法和有限元计算频率的变化趋势,并在同济大学TJ-3建筑风洞中进行全桥气弹模型试验.结果表明,仅在中跨施加抗风缆就能显著提高桥梁结构的固有频率,但需注意抗风缆在悬索桥主缆上的锚固位置,这由于某些锚固位置有可能在施工的一些阶段引发更差的桥梁气动性能,建议在施加抗风缆颤振控制措施前先进行风洞试验研究.     

混凝土自锚式悬索桥模型试验研究

抚顺市万新大桥全长476.15m,主桥为15m 70m 160m 70m 15m的双塔双索面混凝土自锚式悬索桥.模型试验对万新大桥主桥模型的静力性能和动力特性进行了详细研究,并与理论计算结果进行了比较,模型试验结果与理论分析相吻合.试验表明中小跨度混凝土自锚式悬索桥的受力基本符合线弹性,可以用线弹性理论进行分析;用现有的有限位移理论分析混凝土自锚式悬索桥的静力和动力特性,并进行抗风、抗震设计是可靠的.     

大跨度流线型箱梁悬索桥颤振稳定性气动优化

以主跨为1 660 m流线型箱梁悬索桥为工程依托,采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要因素(主缆空间形式、主梁气动外形和中央稳定板高度)进行了研究,并对气动控制措施机理进行了探讨.结果表明:主缆布置形式对桥梁结构颤振临界风速的影响主要表现为主缆布置形式导致桥梁结构扭转频率的改变,从而影响桥梁结构颤振临界风速;适当增加主梁断面宽高比可有效提高桥梁结构颤振临界风速;设置合适高度的中央稳定板可有效提高带水平分离板的流线型箱梁断面颤振临界风速.中央稳定板附近产生的涡会引起主梁断面竖向气动力增加,导致主梁断面竖向运动参与程度提高,抑制了主梁断面扭转运动,从而提高了流线型箱梁断面颤振稳定性.     

开口桥梁断面颤振及气动措施的数值与试验研究

针对典型开口桥梁断面颤振抑振措施进行了风洞试验和数值模拟研究.风洞试验结果表明,原型断面在较低风速即发生了颤振失稳现象.通过数值模拟方法进行了颤振模拟,与风洞试验得到了一致的颤振临界风速,并研究了其颤振机理,即高折减风速下断面下表面产生的旋涡脱落及其漂移与断面扭转位移相匹配,产生了与断面运动方向相同的气动扭矩,导致了颤振发散.数值模拟显示,下稳定板可以有效阻碍断面下表面旋涡的脱落和运动,使得气动力在断面运动周期内做功为负,抑制颤振发散.节段模型风洞试验和全桥模型风洞试验结果显示,下稳定板是开口桥梁断面颤振的有效气动抑振措施.     

中央稳定板颤振控制效果和机理研究

以针对颤振机理研究而建立的二维三自由度耦合颤振分析方法为理论工具，结合节段模型风洞试验，对薄平板断面中央稳定板气动控制措施的颤振控制效果和控制机理进行了研究．通过对基本断面和四种不同高度稳定板断面的颤振性能、颤振驱动机理和颤振形态变化规律的研究表明，当稳定板高度恰当时，中央稳定板的设置能够有效地改善结构的颤振稳定性能．其控制机理是增加竖向自由度参与程度，改变耦合气动阻尼的性质和发展规律，从而抑制系统扭转运动的发散，使得颤振形态转化为竖弯形式．但是当稳定板高度超过临界值后，由于系统竖弯运动稳定性的降低，结构的颤振稳定性能反而会下降．     

流线型桥梁断面颤振稳定性数值模拟

对于流线型桥梁断面颤振稳定性,采用动网格实现结构分状态强迫振动法,提取稳定的气动力,按照最小二乘法求得不同折减风速的颤振导数。研究了理想薄平板的8个颤振导数,并将数值计算结果与Theodorsen理论解进行对比,发现采用该方法识别颤振导数与理论解吻合得很好。采用该方法计算了3种不同流线型桥梁断面的颤振导数,并计算了颤振临界风速。结果表明:增大主梁的宽高比,可以提高主梁的颤振稳定性;宽高比相同时,主梁底板采用折线形状要比圆弧线颤振稳定性好。     

桥梁断面中间开槽对颤振稳定性的影响

用计算流体动力学（CFD）方法研究了箱型桥梁断面中间开槽前后颤振临界风速的变化， 结果表明中间开槽的效果与断面头部形状和开槽宽度有密切关系。当头部形状或开槽宽度不合适时， 中间开槽不但不能提高颤振临界风速，反而降低了 断面的颤振稳定性，这种计算分析结果也和实验结果相符合。并进一步从不同断面周围流场的特征方面对这种现象做出解释，发现从开槽断面前箱体前缘产生的剪切层是否与后箱体碰撞以及断面振动时是否有气流同方向从槽中穿过决定了断面颤振稳定性的好坏。     

Three-dimensional nonlinear flutter analysis of long-span suspension bridges during erection

In this work, the aerodynamic stability of the Yichang Suspension Bridge over Yangtze River during erection was determined by three-dimensional nonlinear flutter analysis, in which the nonlinearities of structural dynamic characteristics and aeroelastic forces caused by large deformation are fully considered. An interesting result obtained was that the bridge was more stable when the stiffening girders were erected in a non-symmetrical manner as opposed to the traditional symmetrical erection schedule. It was also found that the severe decrease in the aerodynamic stability was due to the nonlinear effects. Therefore, the nonlinear factors should be considered accurately in aerodynamic stability analysis of long-span suspension bridges during erection.     

平行双幅桥气动干扰效应对颤振和涡振的影响

以主跨310 m的天津塘沽海河既有独塔斜拉桥拓宽工程的初步设计方案为背景,通过一系列弹簧悬挂节段模型风洞试验研究了箱形分离平行双幅桥之间的气动干扰效应对其颤振稳定性能和涡激共振特性的影响.结果显示:气动干扰效应使得箱形分离平行双幅桥与既有单幅桥相比,颤振临界风速明显降低,主要气动导数曲线递减至递增的转折点也明显提前,颤振稳定性能变差;气动干扰效应还使得箱形分离平行双幅桥与既有单幅桥相比,竖弯和扭转涡激共振最大幅值和风速锁定区间都有显著增大,涡激共振起振风速降低,斯脱罗哈数有所提高.结果还显示:气动干扰效应对箱形分离平行双幅桥下风侧桥的颤振和涡振性能的影响要比对上风侧桥的影响更大.因此,在将既有桥拓宽成分离平行双幅桥时必须考虑气动干扰效应对其颤振稳定性能和涡激共振特性的影响.     

大跨度平行双幅桥面颤振性能干扰效应

以某大跨度平行双幅桥为背景,基于弹簧悬挂节段模型风洞试验和二维三自由度颤振分析理论,分析了叠合梁断面和箱梁断面两种常用桥梁断面形式的双幅桥的颤振性能及颤振驱动机理。研究表明,叠合梁断面双幅桥具有明显的攻角效应,0°攻角时双幅桥的颤振性能大幅降低,但大攻角下气动干扰效应对其颤振性能影响不大;而箱梁断面双幅桥的攻角效应并不明显,各攻角下其颤振临界风速比单幅桥均降低20%～25%。气动干扰效应不仅会降低颤振临界风速,还会使得桥面的颤振形态发生改变;两类断面的颤振驱动机理并不相同,气动干扰也致使上下游桥面的颤振驱动机理发生改变。     

典型桥梁断面软颤振现象及影响因素

采用弹簧悬挂节段模型测振的试验方法研究了常用的全封闭箱梁断面、中央开槽箱梁断面、半封闭箱断面和双边肋断面等4种典型桥梁断面可能出现的软颤振响应.试验结果表明:上述4种断面均可能出现不同尺度的软颤振现象,软颤振表现为弯扭自由度耦合的单频振动特征,其耦合程度不仅会随着风速的变化而变化,而且会随着断面流线性变好而增加;流线性较差的钝体断面的软颤振风速区间往往很宽.桥面附属结构会增强软颤振响应,而改变结构阻尼对软颤振稳定振幅的影响并不明显.