大跨度CFRP缆索悬索桥的抗风稳定性能

以主跨为2 000～5 000m的悬索桥为研究对象,利用悬索桥静风稳定和颤振稳定的非线性有限元计算方法,分析了CFRP(碳纤维增强塑脂)缆索悬索桥的抗风性能.对比研究指出,采用了CFRP缆索后,静风失稳风速将降低,而颤振失稳风速则略微提高,这是由缆索质量降低和扭转基频提高的综合作用引起的.为了进一步提高CFRP缆索悬索桥的抗风性能,讨论了一系列相应的改善措施,并对其有效性进行了验证.结果表明:增大矢跨比对提高抗风性能有一定的作用;当主跨为3 000m级或以下时,可以采用辅助拉索;当主跨达到4 000m级时,可以采用带有稳定板的中央开槽箱梁;当主跨超过5 000m时,则应采用分离式中央窄断面或宽开槽断面.     

考虑风速空间分布的三塔悬索桥静风稳定分析

为了研究平均风速空间分布对大跨桥梁静风稳定性的影响,将风速空间分布系数引入到大跨桥梁静风稳定性计算中,建立了考虑风速空间分布的静风稳定分析方法.以马鞍山大桥为算例,分析了平均风沿展向的不均匀分布对三塔悬索桥静风失稳临界风速和失稳形态的影响.结果表明:风速非对称分布且风速最大值位于任一跨跨中时的静风失稳临界风速最低.风速非对称分布时,低风速下两跨扭转位移和竖向位移的变化趋势类似,随着风速增长,风速较大的一跨变形加剧,由于主缆的牵扯作用,另一跨只能以相反的趋势变化.风速空间分布对三塔悬索桥静风稳定具有较大影响,不可忽略.     

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.     

大跨度中承式拱桥静风稳定性分析

在大跨度中承式拱桥中,主拱为受压构件,静风荷载不仅会引起结构的动力特性改变,还将导致结构强度破坏和失稳。尤其当桥梁跨度较大、横撑又较少时,其静风稳定规律与斜拉桥、悬索桥等桥梁有较大的区别。文中以重庆菜园坝长江大桥为例,通过节段模型试验,获取了静风荷载在重庆菜园坝长江大桥上作用的全过程位移响应,分析了静风作用下结构的屈服失稳机制。分析表明,静风的初始攻角、材料的强度、静力三分力系数等因素对大跨度中承式拱桥的静风稳定性均有较大的影响。     

静风效应对千米级悬索桥颤振的影响

在状态空间法的基础上,提出考虑静风效应的三维颤振分析方法.以驸马大桥为工程背景,采用自由振动法识别攻角从0°到6°主梁断面的颤振导数,在考虑非线性静风引起的主梁附加攻角效应以及结构动力特性变化的基础上,运用状态空间法对大桥进行三维颤振分析.结果表明:附加攻角对颤振导数有明显的影响;在颤振临界点,静风效应会使主梁附加攻角增大、结构动力特性降低;3°攻角下考虑静风效应,桥梁的颤振临界风速会降低14%.     

肋环型单层曲板网壳结构的风振响应及等效静风荷载

分析了肋环型单层曲板网壳结构的风荷载和风振响应,并对采用不同方法计算结构等效静风荷载的精度进行了比较.风洞试验结果表明:肋环型单层曲板网壳结构屋面主要受负风压作用;但在90°风向角下,由于体育馆受前方入口建筑的影响,屋盖边缘局部出现正风压.风振响应分析结果表明:有多阶振型参与结构的风致振动,高阶模态影响不可忽略;为保证结构表面所有节点位移准确,结构的模态耦合项不能忽略.但如果只保证较大位移处的准确性,忽略模态耦合项的SRSS方法也是可取的.利用LRC惯性力法和改进LRC方法计算肋环型单层曲板网壳结构的等效静风荷载,可以保证所有风向角下节点的最大位移等效,但不能保证所有节点的位移等效.     

主桁倾角对倒梯形钢桁梁气动特性的影响分析

针对主桁倾角变化对倒梯形钢桁梁气动特性有较大影响的问题,以某公铁两用连续钢桁梁为例,针对不同的主桁倾角,采用计算流体力学(CFD)的方法建立简化的三维分析模型,对钢桁梁节段进行风场模拟,分析不同主桁倾角下的钢桁梁断面静风气动力系数、涡振性能以及流场特性的差异。结果表明：升力系数和力矩系数受主桁倾角变化影响明显,主桁倾角为10°时,钢桁梁的升力系数较优,此时钢桁梁承受较小的竖向风荷载;主桁倾角为0°时,钢桁梁的力矩系数较优,此时钢桁梁承受较小的扭转风荷载;主桁倾角对钢桁梁在0°和6°风攻角条件下的涡激性能影响明显,涡振性能在主桁倾角为2.5°和5°时较优;随着主桁倾角的增大,钢桁梁内部风速存在的减速现象减弱,有利于内部行车稳定;主桁倾角的变化对湍动能的分布影响明显,随着主桁倾角的增大,钢桁梁内部湍动能的增大效果减弱,而钢桁梁背风侧湍动能的增大效果加强;通过综合对比多类气动特性,主桁倾角为5°的钢桁梁的气动特性较优。研究得出了主桁倾角变化对倒梯形钢桁梁主梁气动特性和空间流场特性的影响规律,可为后续钢桁梁的抗风设计提供参考。     

行人对人行桥三分力系数的影响

以风洞试验方法为主、计算流体力学(CFD)方法为辅,研究不同角度风嘴入流、行人密度和行人横向排列位置条件下的人行桥主梁断面三分力系数的变化规律.结果表明:桥上行人的存在会改变截面周围气流的流态,从而对桥梁断面的静力三分力系数产生显著影响;风攻角在-12°~12°范围内,阻力系数均呈现先增加后减小趋势,负风攻角范围内行人密度是阻力系数变化的主导因素,而正风攻角范围内阻力系数变化受风攻角主导;当风攻角由-12°变化到12°时,小风嘴入流状态下的升力系数和扭矩系数整体逐渐减小,而大风嘴入流状态下的升力系数和扭矩系数整体呈现先增大后减小的趋势,随着行人由迎风侧移动到背风侧,阻力系数略微增大,升力系数显著减小,扭矩系数几乎不变.     

腹板开孔的H型吊杆横风向驰振特性试验研究

通过节段模型静力三分力与测振风洞试验,研究了0°～90°风偏角下不同宽高比B/H与不同腹板开孔率的H型吊杆横风向驰振特性.B/H＝2.4的模型静力试验显示:腹板全封闭时,在0°～8°与64°～90°偏角区间内存在驰振失稳可能,随开孔率增大,驰振失稳偏角区间有所减小且失稳危险性有所降低.B/H＝2.4的模型测振试验显示:腹板全封闭模型在0°与5°偏角较低风速即发生了驰振;开孔率为14%与27%的模型试验风速区间内均无驰振现象,不过开孔率为38%模型在80°,85°,90°偏角高于90 m/s风速下均发生了驰振.宽高比B/H＝1.6腹板全封闭模型试验显示,0°与5°偏角较低风速下也出现了横风向驰振;开孔率38%模型在85°与90°偏角高于110 m/s的风速下也发生了驰振.与改变宽高比相比,适度腹板开孔可明显改善H型吊杆驰振特性.     

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.     

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。     

混凝土简支斜交箱型梁桥受力特性分析

为了深入分析简支斜交箱型梁桥的力学性质,研究其空间受力特点,以斜交角度为30°的简支斜交箱梁桥为背景,基于梁格法,建立了直桥有限元模型和斜桥有限元模型,对比分析了直桥与斜桥的支座反力、变形和主梁内力。研究结果表明：斜桥锐角处的支反力小于直桥,钝角处的支反力远大于直桥;斜桥出现明显的平面转动现象,表现为桥面整体在支承边处钝角方向往锐角方向转动;斜桥边梁的最大扭矩是直桥的2.06倍,增加斜桥箱梁腹板厚度和加密受扭箍筋对其抗扭能力有较大的提升作用。本文研究成果可为简支斜交箱型梁桥的受力性能研究和同类工程设计提供参考。     

小半径曲线连续箱梁桥恒载应力的空间分布特性分析

为研究混凝土曲线箱梁桥的空间受力特性,以某主梁宽9.75m、桥长5×18.76 m的城市立交匝道桥为工程背景,利用ANSYS有限元软件计算几种标准跨径的桥梁模型,通过对截面应力进行积分运算获取截面不同区域所承担的内力比例,并以内力比值系数、应力差值和应力比值为评价指标讨论了同跨径下曲线箱梁桥与直线箱梁桥在一期恒载作用下各控制截面弯矩、剪力和应力的差异。研究发现:一期恒载作用下,曲线箱梁顶、底板法向正应力分布不均匀,剪力滞系数最大可达1.35;外侧腹板承担剪力值最大可达内侧腹板的2.65倍;圆心角超过8°时,边跨跨中截面剪力比值系数大于1.1,圆心角超过13°时,边跨支点截面剪力比值系数大于1.13;在恒载作用下,曲线箱梁桥中性轴“倾斜”,在边跨跨中截面外侧出现正应力卸载现象,边跨支点截面内侧出现应力卸载现象。现行普遍使用的梁系有限元法计算结果不能真实反应曲线箱梁的空间受力分布,箱梁各腹板受力和顶底板弯曲正应力的分布在工程设计中应引起足够的重视。     

不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能

为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最大输出功率增长16.73%,风能利用率增长4.41%;倾斜角较大的叶尖小翼能更多地增大叶片的上、下翼面压差,且翼根弯矩更小;大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流,打散叶尖拽拖强涡量,降低叶尖能耗损失。     

箱形主梁悬臂水平分离板的颤振控制效果与机理

为改善主跨1400m钢箱梁斜拉桥颤振稳定性,通过节段模型风洞试验研究了中央稳定板、中央开槽、加装悬臂水平分离板(CHSP)等多种气动控制措施的效果.结果表明,在所研究的各种气动控制措施中,CHSP的效果最好,它可显著改善桥梁的颤振性能,尤其是在+3°风攻角情况下的颤振性能.采用二维三自由度耦合颤振分析方法,对原钢箱梁断...     

高速铁路跨度40 m双线混凝土简支箱梁的约束扭转效应分析

为分析高速铁路跨度40 m双线混凝土简支箱梁桥约束扭转效应,采用薄壁箱梁约束扭转的理论解析法,建立列车活载作用下的约束扭转微分方程,结合ANSYS软件的精细数值模拟结果,对比研究了箱梁在约束扭转下的扭转角、翘曲双力矩、约束扭矩等力学参数的变化规律,研究了腹板倾角、高宽比和悬臂板宽度等计算参数对约束扭转应力的影响规律。结果表明：扭转角在跨中处达到最大,翘曲双力矩在1/4跨、1/2跨处峰值基本一致,约束扭矩在跨中处达到最大值。板壳有限元解与解析解的计算结果存在一定差异,且翘曲正应力在腹板和底板相交处最大相差为66.6%,有限元解更为精确。简支梁跨中截面悬臂端的翘曲效应最明显,翘曲比例系数可达9.16%。翘曲应力总体随高宽比、腹板倾角的增大而减小。     

新型节段拼接箱梁桥抗剪性能试验研究

针对预应力混凝土箱梁桥施工质量不易保证的问题,提出梁端预制拼接的施工方法,采用精细化加工的箱梁锚固端节段,通过剪力键与混凝土箱梁的现浇节段纵向拼接,从而避免由于施工原因造成的预应力箱梁桥长期性能退化。作为拼接箱梁桥受力的关键构件,梁端承受剪力作用的结合面的受力最为不利,因此本文采用足尺模型试验和有限元计算的方法,对新型节段拼接混凝土箱梁桥抗剪性能进行研究。试验、有限元计算和参数分析结果表明,所建立的有限元模型能较好地模拟节段拼接箱梁桥在试验荷载作用下的抗剪性能;带剪力键的箱梁节段结合面是该类型桥梁受力最薄弱的部位;试验模型在试验荷载的作用下,其主要破坏模式是在箱梁节段之间传递剪力的剪力键发生破坏;桥梁抗剪极限承载力与剪力键尺寸成正比,与腹板剪力键和顶板剪力键的数量成正比,但与底板剪力键的数量关系不大。     

风浪流耦合作用下跨海斜拉桥减振措施

为减小施工期间风浪流耦合作用下跨海大跨度桥梁的不利振动,提出了多种结构性减振措施,针对主跨720m三塔斜拉桥最不利施工状态,开展了波浪作用和风浪流耦合作用下桥梁动力响应分析,对比了不同减振措施的减振效果,分析了减振措施相关参数对其减振性能的影响规律。结果表明：针对可引发共振的规则波浪作用,采用“合龙前梁端连接临时钢索”的减振措施可以有效减小主梁端部竖向位移和塔梁交接处的塔柱横向弯矩,减振率分别为61.1%和30.2%;针对风浪流耦合作用,采用“钢箱梁横桥向倾斜设置临时钢索”的减振措施可以有效抑制主梁端部的竖向位移、横向位移和塔梁交接处箱梁横向弯矩,减振率分别为38.9%、15.1%和49.4%,且钢索设置较小的倾斜角度,减振效果更好。研究成果为风浪流耦合作用下跨海大跨度斜拉桥的减振措施设计提供了有益参考。     

斜拉桥悬臂施工阶段分离式钢箱梁的剪力滞效应分析

以荆岳长江公路大桥为研究背景,采用ANSYS软件建立了该斜拉桥主梁最大单悬臂、主梁最大双悬臂和悬臂施工2号梁段三个工况的分离式钢箱主梁的区段仿真模型.利用空间有限元法,针对悬臂施工状态下分离式钢箱的空间受力状态进行剪力滞效应的计算分析.研究结果表明,分离式钢箱梁在不同施工工况下,其顶、底板剪力滞系数分布规律不同;钢箱梁顶板在外腹板处剪力滞效应较大,并随着离开外腹板处,其剪力滞效应减小较快.在施工过程中,分离式钢箱主梁的同一截面会同时出现正、负剪力滞效应.