大跨度公铁双层斜拉桥主梁涡激共振机理与控制

以拟建的某主跨808 m公铁双层斜拉桥为工程依托，采用节段模型风洞试验研究不同攻角下双层桁架梁断面的涡振性能及5种气动控制措施的抑振效果，结合计算流体动力学（CFD）静态绕流模拟，对比分析双层桁架梁断面的涡振机理及控制方法. 研究表明：主梁断面原设计方案在+3°和0°风攻角下存在明显的竖向和扭转涡振现象，且振幅超过规范允许值；间隔封闭上层桥面栏杆或增设抑流板可有效抑制主梁扭转涡振，但竖向涡振振幅仍不满足规范要求；上弦杆外侧增设风嘴可有效抑制主梁竖向和扭转涡振，而下弦杆外侧增设风嘴对主梁涡振抑振效果有限. 气流经主梁原设计断面上层桥面分离后，在其上下表面形成周期性脱落的大尺度旋涡，并在上层桥面后部再附，这是主梁发生竖向涡振的主要诱因；上弦杆外侧增设风嘴可引导气流平稳通过上层桥面，消除了周期性的旋涡脱落，并在其上表面形成一段狭长“回流区”，从而有效抑制了涡振的发生.     

分离式双箱梁斜拉桥涡激振动试验研究——以港珠澳江海直达船航道桥为例

为了研究分离式双箱梁斜拉桥的涡激振动特性,以港珠澳江海直达船航道桥为研究对象,以风洞试验为研究手段,分析加风障、增设不同开槽率的中央底板、改变腹板角度和增设导流板等气动措施对主梁涡激振动特性的影响,以及在不同风攻角下不同气动断面的涡激振动特点。试验和分析结果表明:风障虽然不能避免涡激振动的发生,但是可以有效地减小涡激振动的振动幅度;底板开槽可以有效地控制涡激振动的发生,并存在1个最佳开槽率;改变幅板角度可以有效地避免二阶涡激振动的发生,但对一阶涡激振动影响效果不明显;相比较而言,导流板设置在断面两侧是对主梁断面进行涡激控制最有效的措施。     

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.     

流线型箱梁断面涡激力展向相关试验研究

针对闭口流线型主梁结构涡激力展向相关性问题,在均匀流场条件下分别对振动状态和静止状态流线型主梁节段模型进行了不同风攻角的涡激力展向相关性试验研究,分别分析了流线型主梁断面涡激振动响应、涡激力展向相关性及主梁表面压力等.结果表明:振动状态主梁断面涡激力展向相关系数与振幅、锁定区风速等相关,锁定区上升段主梁断面涡激力展向相关系数大于锁定区最大振幅处主梁断面涡激力展向相关系数,扭转涡振锁定区升力矩展向相关系数大于竖向涡振锁定区竖向涡激力展向相关系数;振动状态主梁断面测点压力系数展向相关系数与振幅相关,振幅越大则相关系数越大.     

双斜塔钢箱梁斜拉桥抗风性能试验研究

为了评价某拟建大跨度双斜塔钢箱梁斜拉桥的抗风安全性能,通过数值分析与风洞试验相结合的方法研究其结构动力特性,测定静力三分力系数、颤振临界风速和涡激振动响应,据此分析评估该桥的抗风性能.结果表明,该桥具有较好的气动和颤振稳定性,但存在两个明显的竖向涡激共振区,且最大振幅远超过规定容许值.因此,该桥需要通过气动外形优化,以减小或控制涡激振动.经多种主梁涡激振动性能优化方案对比试验得出其最优措施为轨道内侧增加一条宽1m、与底板夹角成30°的导流板.     

边箱式π型断面涡振性能及导流板措施参数研究

π型断面因构造简单与受力性能好,被广泛应用于桥梁建设中,但其抗风性能差,易产生涡激振动问题.本文以边箱式π型断面桥梁为研究对象,采用宽高比10∶1的π型断面刚体节段模型进行同步测振测压试验,并且通过计算流体力学方法加以对比验证,研究π型断面涡振性能与导流板抑振机理.试验结果表明：边箱式π型断面在0°、±3°风攻角下发生显著涡激振动,通过在断面两侧加设特定形式及尺寸参数的导流板措施可抑制断面竖弯及扭转涡振.其中,倒L型导流板措施气动优化效果显著,可有效消除涡振振幅,而水平导流板措施的抑振效果有限,相较于竖弯涡振,扭转涡振对于水平导流板尺寸参数更为敏感.通过对比数值模拟结果与表面气动压力分布,表明倒L型导流板措施能够优化断面气动外形,削弱断面上下表面旋涡脱落尺度和能量,同时降低断面所受的周期性气动力,从而有效抑制断面涡振.     

港珠澳大桥大挑臂钢箱梁涡激振动特性及抑振措施

港珠澳大桥采用的大挑臂钢箱梁外形较钝,在常遇风速下易发生涡激振动。该文通过一系列节段模型和全桥气动弹性模型风洞试验,详细研究了各种气动措施和阻尼措施对此类断面涡激振动性能的影响。结果表明:大挑臂钢箱梁截面存在2个竖向涡振区和1个扭转涡振区;依据涡振振幅和发振风速区间,通航孔斜拉桥需关注第2个竖向涡振区,非通航孔连续梁桥需关注第1个竖向涡振区;在栏杆上安装弧形扰流板的气动措施可有效改善其涡激振动性能;增加结构阻尼可显著降低其涡振振幅,阻尼比达到1.0%时,涡激振动基本消失,该阻尼限值可作为港珠澳大桥的调谐质量阻尼器的依据;最后,利用三维非线性涡振分析方法对节段模型和全桥气弹模型风洞试验结果的一致性进行了讨论。     

大跨度桥梁中央开槽断面的涡振控制试验

以青岛海湾大桥大沽河航道桥中央开槽主梁断面为研究对象,采用大尺度节段模型风洞试验方法,研究了不同阻尼比下两种导流板设置方案的涡振控制效果,分析了不同导流板特征尺寸和位置对随风速变化的涡振振幅的影响.试验结果表明:中央开槽断面的涡振性能较差,对导流板设置的变化比较敏感,涡振控制效果除了与原断面气动外形和槽宽有关之外,还与导流板本身的高度、长度和倾角密切相关,建议导流板高度设置需不受桥梁断面底部附属设施的阻碍,长度应适宜,倾角135°.     

稳定板高度对桥面输送机边主梁斜拉桥涡振性能的影响机理

为研究不同高度梁底中央稳定板对桥面安装输送机的边主梁桥涡振性能的影响,通过节段模型风洞测振、测压试验获取主梁在下中央稳定板作用下的涡振性能和压力时程数据,并综合对比分析了主梁在3种不同高度稳定板作用下的脉动压力系数均值、均方差、功率谱、局部与总体气动力的相关性.结果表明:稳定板对边主梁断面气动稳定性的提高具有良好的效果...     

开口截面斜拉桥涡激共振风洞试验及减振措施研究

对某大跨开口截面斜拉桥进行节段模型风洞试验,测试了主梁成桥状态的气动性能.试验结果表明,该桥主梁在设计风速范围内出现了明显的竖弯以及扭转涡激共振现象.参数化的试验研究表明,该桥的涡激共振现象在相当广泛的阻尼比范围内均存在,即使将竖弯以及扭转阻尼比提高到1％以上仍然存在明显的涡激共振现象,且振动幅值仍超过规范允许值.为了...     

风屏障对流线型箱梁涡振性能影响机理试验研究

为研究风屏障透风率对主梁涡振性能的影响,依托某主跨808 m大跨度钢箱梁悬索桥,通过风洞测振、测压试验得到模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据.测试原桥断面在加设风屏障后±5°攻角范围内的涡振性能,对比分析原桥断面和3种不同透风率风屏障以及安装水平分流板5种工况下主梁涡振响应和桥面各测点脉动压力系数均值、根方差;同时分析局部气动力与总体气动力的相关性和贡献作用.研究结果表明,原断面在+5°攻角下发生了多区间竖弯涡激振动,且涡振振幅远超规范允许值.安装不同透风率的风屏障后对主梁的涡激共振产生了有利的影响,消除了主梁原断面在低风速区间的涡振,最大振幅也有一定的减小.根据测得的压力数据分析,带风屏障主梁上表面中后部压力脉动减弱及局部气动力与总体气动力贡献系数减小使得主梁振幅有了小幅减小;在主梁风嘴处添加水平分流板后,局部气动力与总体气动力的相关性被完全破坏,压力脉动减弱,从而有效地抑制了主梁在该情况下的涡振.     

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．     

宽高比4.3流线型箱梁的涡激振动机制

通过节段模型风洞试验分析宽高比4.3流线型箱梁断面的涡激振动性能,基于数值模拟分析静止及振动断面周围的绕流结构,探讨流线型箱梁涡激振动机制。结果表明：+5°攻角时,宽高比4.3断面涡激振动竖向无量纲最大振幅为0.013 5,是+3°攻角的2.2倍。涡激振动机制为：气流在桥面板处分离后,产生一定尺寸的上部漩涡,随着漩涡沿桥面板运动,其尺寸不断增大,并在桥面板背风侧发生分离脱落,振动断面周围的上部漩涡更加完整,且存在5个尺寸相对较大的漩涡,而下部漩涡在背风侧风嘴下斜腹板处的尺寸与数量有一定程度的增加;振动幅值增大后,主梁尾流宽度增大,脉动强度有一定程度增强。研究结果可供流线型箱梁抗风设计参考。     

基于浮框式测力模型的桥梁涡激力特性研究

基于开发的内置浮框式三节段测力模型装置,通过弹性悬挂测振风洞试验测试了某大跨度斜拉桥初步设计主梁断面的涡振响应及对应的涡激力.分析了发生竖向涡激共振的0°与+3°两种风攻角下的数据,验证了内置浮框式三节段测力模型在桥梁断面气动力测试中的可靠性,对比研究了不同风攻角下涡激力与涡激振动响应的测试结果,探讨了锁定区间范围内涡振频率、力与位移之间相位差及涡激力做功的变化情况.结果表明,内置浮框式三节段测力模型可以在风致振动过程中同步测试气动力;所测试得到的涡激力频率在风速锁定区间内与位移响应频率完全一致,同时,模型的竖弯涡激力与涡激振动位移响应之间存在的相位差随风速增大而增大,而涡激力做功有一个先增大后减小的变化过程.     

基于有效约束集法的混合梁斜拉桥合理成桥状态确定方法

 针对混合梁斜拉桥的结构特点,提出基于有效约束集法的混合梁斜拉桥合理成桥状态优化方法.以混合梁斜拉桥主梁、桥塔的弯曲及拉压能量之和为目标函数,以钢箱梁段竖向位移、桥塔水平位移、主梁上下缘及桥塔两侧应力、斜拉索索力及其均匀性为约束条件,建立混合梁斜拉桥合理成桥状态的二次规划数学模型,采用有效约束集算法进行合理成桥状态的优化.实例优化及比较结果显示,优化所得成桥状态,主梁竖向位移-22~8 mm,桥塔塔顶水平位移为向主跨侧偏20 mm,结构整体线形平顺;钢箱梁上下缘及钢桥塔两侧应力为-84.43~16.38 MPa,混凝土主梁上下缘及混凝土桥塔两侧应力为-16.31~-0.003 MPa,结构内力及应力均与无约束最小弯曲能量法计算结果相近;斜拉索索力为2061~2457 kN,其分布比无约束最小弯曲能量法的计算结果更均匀,且边墩具有更大的压力储备,表明该方法的有效性和优越性.     

薄平板断面气动自激力振幅效应数值模拟

为研究振幅对桥梁主梁断面气动自激力的影响,以薄平板断面为研究对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法进行气动自激力振幅效应研究,首先采用强迫振动数值模拟方法,研究了不同振幅下薄平板断面颤振导数与气动力迟滞相位,分析了薄平板断面气动力的频谱特性;然后采用自由振动数值模拟方法,研究了薄平板断面的颤振响应演变规律.薄平板断面强迫振动数值模拟结果表明:扭转振幅对薄平板断面颤振导数影响较大,在高折算风速下,颤振导数A*2随着振幅的增大由负转正,竖向振幅对薄平板断面颤振导数影响相对较小;扭转振幅的增大引起薄平板断面气动力迟滞相位正弦值发生了较大变化;当扭转振幅大于8°时,薄平板断面气动力存在较为明显的高次谐波分量,主要为三阶与五阶分量,竖向振幅引起的薄平板断面气动力高阶分量不明显.薄平板断面自由振动数值模拟结果表明:薄平板断面在颤振发散过程中,其瞬时频率、瞬时阻尼比与竖向扭转位移相位差均随振幅变化.     

大跨悬索桥Π形加劲梁处风参数实测与风攻角修正

以一座已建的大跨悬索桥为工程依托，基于现场实测与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法研究Π形加劲梁断面气动外形对桥面高度处实测风参数的影响，并提出实测风攻角的修正方法. 进行为期5个月的桥面高度处风速和风攻角现场实测，分析风参数沿桥轴线的分布规律，并比较了桥面高度处迎风侧与背风侧风速仪实测的风速和风攻角；采用计算流体动力学方法模拟气流流经静止加劲梁断面的流场，研究来流风攻角和风速对风速仪安装在加劲梁不同位置处风参数的影响；结合数值模拟结果，通过函数拟合得到Π形加劲梁断面风速仪实测风攻角的修正公式. 结果表明：实测风速在大桥主跨范围内较为接近，且边跨风速相较于主跨风速偏小；现场实测得到的迎风侧风攻角明显大于背风侧，两侧风速基本一致；迎风侧与背风侧的风参数数值模拟结果与现场实测具有一致性，主梁绕流对距主梁20 m范围内的风攻角监测结果均存在一定影响. 通过本文建立的风攻角修正方法，可以根据迎风侧风攻角的实测值得到较为合理的风攻角修正结果.     

开口断面桥梁颤振稳定性及优化措施机理研究

基于数值计算方法研究了开口断面主梁的颤振稳定性及下稳定板的作用机理.通过对比风洞试验的三分力及颤振临界风速结果,验证数值计算方法的可靠性,借助流场可视化直观地分析了颤振机理及下稳定板的抑制机理.结果 表明:来流在上游栏杆、上游箱室底板及下检修道处分离形成旋涡并向下游发展,期间产生与桥断面运动方向相同的气动力,成为颤振发散主导因素.在桥梁断面增设下稳定板能形成稳定的旋涡,气动力总体做负功,有效地抑制了颤振发散.增设1/4下稳定板,稳定板间形成了稳定的旋涡,气动力在运动周期内持续做负功,而同时增设下中央稳定板和1/4下稳定板在上游检修道与稳定板间形成的旋涡与上表面的旋涡交替主导气动力的方向,气动力先做负功后做正功再做负功.故只增设1/4下稳定板相比同时增设1/4下稳定板和下中央稳定板更有利于改善主梁的颤振稳定性能.研究结果能给同类型桥梁断面颤振抑振措施的选取提供参考.     

超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,^{在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,}通过简化Scanlan^{经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和}TMD参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明：在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。     

大风攻角下钢桁梁悬索桥颤振性能研究

由于地形干扰,山区桥位风环境复杂,易表现出较大的来流风攻角.为探明大跨度桥梁在大风攻角下的颤振性能,本文以西部某深切峡谷区大跨度钢桁梁悬索桥为工程背景,通过节段模型风洞试验得到了-7°～+7°大攻角范围内的颤振临界风速.采用多种气动措施对原始断面进行优化,以明确气动优化措施对大风攻角范围颤振性能的影响.结果表明:所研究桥梁颤振临界风速在-5°～+3°的大范围攻角内均较低;封闭桥面板中央开槽、检修道不透风、上下中央稳定板等不同气动措施对主梁在小攻角与较大攻角颤振性能的影响特点不同;采用封闭中央槽和检修道并设置合理高度的上下中央稳定板时,颤振临界风速得到较大提高且主梁阻力系数相对较小.