大跨度高铁连续梁桥箱梁断面静力三分力系数的数值模拟

我国高铁桥梁建设发展迅猛,其中一大批桥梁处于强台风多发区,其抗风性能备受重视,高铁桥梁的主梁断面静力三分力系数分析是其抗风研究的基础。本文基于计算流体动力学(CFD)技术,对东南沿海某大跨度高铁连续梁桥箱梁断面静力三分力系数开展研究,考虑不同风攻角和主梁断面尺寸对静力三分力系数的影响,并将识别结果与已有数值计算结果进行对比。结果表明:采用CFD技术可有效识别高铁连续梁桥钝体箱梁断面静力三分力系数,箱梁断面尺寸的变化对静力三分力系数影响显著。随着断面高宽比的增大,箱梁断面的阻力系数和升力系数也随之增大,而升力矩系数随之减小。研究结论可为大跨度高铁连续梁桥的抗风研究与设计提供有益参考。     

沧口航道桥主梁静风稳定性分析

沧口航道桥(双塔双索面钢箱梁斜拉桥)是青岛海湾大桥的主通航孔桥,为确保其在建成运营后的抗风稳定性、安全性和适用性,对其主梁进行了静风稳定性分析;采用FLUID软件计算主梁静力三分力系数,对主梁节段模型进行静力三分力系数风洞试验(与计算数据相吻合),然后求解主梁静风扭转发散临界风速,采用ANSYS软件求解其动力特性和主梁的静风横向屈曲临界风速。结果表明:主梁静风扭转发散、横向屈曲临界风速计算最小值分别为579 m/s和745.6 m/s,均远大于检验风速95.8 m/s,因而沧口航道桥主梁的空气静力稳定性能够得到足够保证。     

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.     

栏杆高度对流线型箱梁涡振性能影响的试验研究

为研究栏杆高度对流线型箱梁涡激振动性能的影响并揭示其机理，通过节段模型风洞动态测压与测振试验，研究了流线型箱梁涡振响应、平均和脉动风压系数、频域特性以及局部升力对涡振的贡献系数分布情况. 结果表明：安装栏杆后主梁表面的平均风压系数增大，脉动风压系数变化复杂，脉动风压卓越频率与模型自振频率基本一致，局部升力对涡振的贡献作用增大，使主梁涡振加剧；栏杆高度的变化对主梁表面平均风压系数基本没有影响，但对其脉动风压系数的分布规律及脉动压力功率谱幅值有较大影响；栏杆高度的变化，使主梁上表面前部和尾部区域的局部升力对涡振贡献程度呈现出显著差异，当贡献值增大时，主梁涡振响应增大. 当栏杆高度为45%的梁高时流线型箱梁的涡振幅值最大，在此基础上适当降低或增大栏杆高度均有一定的抑振效果，降低栏杆高度效果更好. 研究结果为流线型箱梁栏杆的设计和相关研究提供了依据和参考.     

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...     

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。     

中承式拱桥主拱静风载试验及数值模拟

大跨度中承式拱桥属于柔性空间结构,主拱上风荷载往往起控制作用.以重庆菜园坝长江大桥为例,进行主拱单拱及双拱节段模型测力风洞试验.均匀流下的单拱测力试验表明,主拱的阻力系数变异性较小,升力系数与力矩系数变异系数较大.双拱测力试验表明,迎风拱的静力三分力与单拱试验结果相差不大,下风拱静力三分力系数随两拱的间距宽度比及攻角变化.利用流体力学软件FLUENT对拱的静力三分力系数进行了数值模拟,模拟结果与试验吻合较好,很好地显示了阻力系数随两拱间距宽度比的变化.     

典型箱梁下腹板倾角对桥梁静风稳定性能的影响

以大跨桥梁中常用的近流线型箱梁断面为研究对象,通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,选取下腹板倾角这一关键几何参数进行研究,对比分析不同腹板倾角情况下的静风稳定性能,阐述静风失稳机理.研究结果表明,当下腹板倾角较小时,在底板与下游腹板交接处存在负压力区,可以产生向下的升力分量,从而降低升力系数;在一定的下腹板倾角范围内(9°～23°),竖向位移或扭转位移较小,有利于提高静风失稳临界风速.选用下腹板倾角较小(9°～23°)的断面,可有效增大上表面的正压力以及下表面的负压力,降低主梁的升力系数,降低阻力系数,从而达到提高静风稳定失稳风速的目的.     

风荷载作用下斜拉桥概率有限元分析

随着桥梁跨径的增大,风对桥梁结构的作用也越来越重要,而桥梁结构的抗风性能评价涉及到许多不确定性因素:设计风速、结构几何物理参数以及风与结构的相互作用的不确定性等。从结构几何特性以及三分力系数两个方面来讨论不确定性参数对结构静力抗风性能的影响,利用MonteCarlo数值模拟与有限元相结合的方法进行参数不确定性分析,并得到影响关键截面响应的敏感性参数;利用抖振反应谱理论计算了长江上某拟建公路大桥在成桥状态的抖振响应,同时考虑静风、脉动风作用,利用一次二阶矩(First OrderSecond Moment,FORM)方法计算主梁跨中截面可靠度指标。     

高风速区钢箱梁桥施工过程抗风稳定性分析

 对大跨度钢箱连续梁桥施工过程最大悬臂状态进行非线性气动稳定性分析.提出基于风荷载非线性及结构几何非线性的气动稳定性分析理论.以某跨海大桥为工程背景,进行静风效应及风致抖振效应计算,明确钢箱梁最大悬臂状态位移响应均方根最大值,并以结构一期恒载作用下的位移为初始缺陷,静风力与抖振力作为荷载进行主梁最大悬臂状态非线性气动稳定性验算.结果表明,随着桥位处风速的增加,主梁悬臂端和跨中水平及竖向位移均呈现非线性增长趋势;结构的位移响应随着风攻角的正负变化而产生变化,风荷载的影响不容忽视.由于主梁刚度较大,在120 m·s^-1风速范围内并没有出现失稳临界状态,但悬臂端水平及竖向位移变化幅度较大,为了保证人员安全及合龙顺利进行,提出3 种抗风措施.     

高墩大跨刚构桥施工阶段的抗风分析

采用离散涡(DVM)及风洞测力方法,确定主梁静气动力系数.采用抖振时域方法,计算最大双悬臂状态时的抖振响应,与风洞试验结果进行对比分析,计算中阻尼系数由气弹模型实测阻尼比确定;由于气弹模型设计中阻尼比相似不能够实现,故修正计算结果,探讨阻尼比对抖振响应的影响;最后采用两种抗风分析方法——阵风系数法和抖振时域分析法,分别对结构进行分析计算.实例分析的计算结果表明,按阵风系数法得到的横桥向响应偏于保守.     

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.     

考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系风振响应及减振控制

为研究风荷载作用下考虑土与结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)对输电塔-线体系的动力响应与减振控制的影响。根据实际工程,建立输电塔-线体系模型和桩-土-输电塔-线体系模型,然后分别对软土条件下考虑SSI效应的输电塔-线体系和刚性地基的输电塔-线体系进行风振响应分析。将多个粘滞阻尼器安装在考虑SSI效应的输电塔上,对输电塔风致振动进行控制。研究结果表明：考虑SSI效应后,输电塔的位移响应明显增大,其中塔身代表节点的位移最大值、均方根值分别增大64.73%、79.09%,塔身和塔腿的轴力响应减小。阻尼系数相同时,速度指数为0.3的阻尼器对输电塔风振控制效果最好。速度指数相同时,阻尼系数越大塔顶位移响应和塔身单元的轴力响应越小。速度指数为0.3,阻尼系数低于30 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔顶节点的位移控制效果差距明显,阻尼系数小于15 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔身单元的轴力控制效果差距明显。     

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.     

风屏障开孔形式对车桥系统气动特性影响的数值研究

采用流体力学软件（Star CCM+）建立32 m简支箱梁和CRH2型高速列车的全尺寸模型，对不同风屏障开孔形式的车桥系统进行数值模拟，研究了风屏障开孔形式对风屏障挡风效率和流场的影响，分析了车辆三分力系数和桥梁三分力系数随开孔形式的变化规律。结果表明：风屏障的开孔形式对车辆的阻力系数影响较大，且随着开孔边数的增加各车辆的阻力系数先减小后增大，开孔形式为格栅形时阻力系数最大。采用格栅形式时中车比头车的力矩系数大了63.6%；中车的阻力系数和力矩系数随开孔边数的增加基本呈下降趋势，位于背风侧时中车阻力系数和力矩系数变化较缓；随着风屏障开孔边数的增加，桥A段、桥B段和桥C段的CRWBD都呈增加趋势，其中桥B段的贡献率增加地最多，增加了12.2%。风屏障对阻力和力矩的贡献率CRWBD、CRWBM基本都超过了50%。     

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。     

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。     

摩擦参数对压电执行器振动特性的影响

提出了一种考虑运动学和振动解的摩擦振动模型,并用迭代法求解了压电执行器在运动体摩擦力作用下的振动响应.通过数值模拟和参数分析研究了运动体的速度v,正压力F_○N,相对滑动速度控制系数的延迟率C,静摩擦系数μ_○S及其下限μ_D,阻尼比ξ对于动态摩擦力和振动特性的影响趋势.结果表明压电堆的振幅随着F_○N,v,μ_S和C的增加而变大,随着μ_D和ξ的增加而减小.F_N和μ_S影响最大静摩擦力,μ_○D影响滑动摩擦力,v和C对黏着状态与滑动状态的转换以及摩擦状态转换过程中摩擦力的变化有明显的影响.     

基于静动载试验的预制装配式T梁桥承载能力

为评价新建预制装配式桥梁的结构性能和工作状态,对遂德高速公路九龄岗大桥40 m T梁段进行单梁静载试验、全桥静动载试验以及有限元仿真分析。通过静载试验测试了单梁与成桥阶段控制截面的应变、挠度,并结合有限元计算结果对比分析,采用脉动试验和行车试验获得了桥梁的自振特性、不同行车速度下的动力效应和冲击效应。研究表明：单梁与全桥静载作用下结构应变及挠度校验系数均满足规范要求,卸载后相对残余应变及位移远小于规范规定的20 %,结构承载能力良好;边梁在各级加载下的挠度、应变值与荷载横向分布系数均大于中梁,总体上变形、应力分布较均匀,结构抗扭刚度与强度有一定安全储备;脉动试验实测阻尼比为1.139 %,小于规范规定的5 %,该桥动力特性良好,在结构体系振动过程中具有较好的能量耗散性能;行车试验中随着车速增加,结构动力效应越显著,动挠度、动应变与冲击系数有明显增大的趋势,实测冲击系数为0.065 ～ 0.133 ,表明该桥面平整度良好。