输电线⁃绝缘子体系三维抖振响应的时/频域理论方法研究

强风作用下往往产生大变形的非线性动力抖振响应,是导致电力网络风偏闪络和支撑杆塔风灾破坏的主要原因。为了揭示强风作用下输电线路风效应形成机理,以典型两跨输电线?绝缘子为研究对象,以绝缘子的风偏位移和杆塔对绝缘子端部的空间支座反力响应为考察重点,基于索结构力学,给出了静力平均风偏状态的非线性解,并考察了体系在风偏状态下模态、气动阻尼等动力特性的变化;推导了响应的影响线函数及模态参与系数表达式,提出了线性时域动力响应的计算方法;进而依据风工程理论,给出了脉动风振响应背景分量和共振分量的频域表达式;采用典型算例,通过与非线性有限元模型结果进行分析比较。结论表明,提出的三维振动时/频域理论模型及参数计算取值方法具备足够的工程效率和精度。研究为揭示输电线路风灾的破坏机理,完善输电线路结构的抗风设计提供了重要的理论基础和计算方法。     

大跨度斜拉桥施工阶段抗风性能变化规律

大跨度斜拉桥是一种在风力作用下易发生变形和振动的柔性结构,其施工阶段结构抗风性能比成桥状态有所降低。采用数值模拟方法系统研究了大跨度斜拉桥单、双悬臂两大施工过程结构抗风性能的变化规律,包括结构动力特性及风致抖振响应。结果表明,随着单悬臂长度的增长,侧弯、扭转基频不断下降,侧弯基频降速较快,竖弯基频则在250m悬臂长度内呈现一个上升区段;随着双悬臂长度的增加,侧弯基频下降最快,竖弯和扭转基频下降速度呈现先变快后减慢的规律。当单悬臂长度在300m悬臂范围内,悬臂端部竖向抖振响应随悬臂长度基本呈线性增长;侧向抖振位移在200m悬臂长度范围内基本呈线性增长,超过200m之后,增速明显加快。当双悬臂长度在200m范围以内,抖振位移基本呈线性缓慢增长,当超过200m后,竖向抖振位移急剧增长,侧向位移增长速度亦加快,此时需充分考虑结构抖振响应对施工安全的影响。单悬臂端部抖振响应由主梁一阶模态起主要贡献,二阶模态亦有重要参与;双悬臂则以二阶振型,即对称振型起主要贡献。     

基于气动新模型的大跨度桥梁频域抖振分析

提出采用准定常气动刚度与基于试验的非定常气动阻尼进行气动修正的大跨度桥梁抖振计算新模型。桥梁节段模型风洞试验表明,气动新模型能相对更准确地描述桥梁结构的气动刚度与气动阻尼特性。以东海大桥的风致抖振响应为例,对气动新模型与传统Scanlan颤抖振模型的分析结果进行了对比研究。计算结果与风洞试验表明,气动新模型具有良好的计算精度与明确的物理意义。     

输电塔气动力系数和气动导纳风洞试验研究

输电塔结构的非定常抖振力与来流风速之间存在复杂的非线性关系,基于风洞试验得到的某1 000 k V格构式直线输电塔弹性模型的基底力以及参考高度处同步采集的风速时程,采用线性和高斯两种近似假定计算了非定常气动力系数并与试验值进行了比较;提出了包含结构气动阻尼效应在内的总气动导纳的概念,通过基底脉动力谱和来流脉动风速谱的比值对总气动导纳函数进行识别,并用基于频域相干函数对导纳函数的线性部分进行了估计。结果发现,风偏角线性近似所计算静气动力系数的偏差较高斯近似小;由于气动抖振力非定常性质明显,不考虑总气动导纳函数将高估输电塔模型的抖振响应;脉动风力与脉动风速间有较强的非线性关系,用线性导纳函数计算的抖振力谱将低估脉动风分量的影响。     

三塔斜拉桥抖振的耦合行为研究

三塔斜拉桥较为柔性,振动模态较为密集,对风更为敏感。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景,基于多模态耦合振动分析理论,对三塔斜拉桥抖振的耦合性能进行了研究。分别采用多模态耦合抖振分析方法和非耦合的单模态SRSS(Square Root of Sum of Squares)方法对结构在设计风速下的抖振响应进行了分析,将两种分析方法所得抖振响应的均方根及功率谱密度函数进行比较。为明确模态间的耦合关系,进一步分析了结构抖振响应随参与分析模态数的变化情况。分析结果表明:三塔斜拉桥抖振响应存在明显的多模态耦合效应,模态间的耦合作用将增大结构的抖振响应。对于大跨度桥梁的精细化分析,抖振的耦合行为不容忽视。     

桥梁连续模型随机抖振分析

本文应用连续模型和随机振动理论计算桥梁纵风向风激抖振响应,比抖振响应的有限元时域分析法快速简单且具有一定精度。     

Microtab对翼型跨音速抖振始发特性的影响

研究了microtab对翼型跨音速抖振始发特性的影响。采用SST湍流模型对RANS方程进行封闭,以NACA0012翼型为对象,用CFD方法计算了在其后缘附近安装microtab后,翼型的跨音速流场。对比分析了在翼型后缘附近的上表面、下表面单独安装和上下表面对称安装microtab后,对翼型跨音速抖振始发特性的影响,并研究了microtab的高度和弦向安装位置对跨音速抖振边界的控制作用。结果表明：在翼型后缘附近的上表面加装microtab能够提高抖振始发攻角,并且随着microtab高度的增加,抖振始发攻角有增大的趋势。在翼型后缘附近的下表面加装microtab能够提高抖振始发时的升力系数,且抖振始发时的升力系数随着microtab高度的增加而增大。microtab的弦向安装位置的变化对于抖振始发攻角影响较小,但是对抖振始发时的升力系数有明显的影响。         

桥塔风效应对大跨度悬索桥抖振响应的影响

以润扬长江公路大桥南汊悬索桥(润扬悬索桥)为研究对象,首先基于ANSYS建立了该桥的三维有限元计算模型,同时基于桥址区实测风特性建立了该桥考虑桥塔风效应的三维脉动风场,在此基础上进行了该桥非线性抖振响应时域分析,重点研究了桥塔风效应对大跨度悬索桥风致抖振响应的影响。研究结果表明,主塔风效应对大跨度悬索桥主梁抖振响应的影响很小。就主塔而言,其顺桥向抖振响应受桥塔风效应的影响也很小,但横桥向抖振响应在考虑桥塔风效应时显著增加,在进行抖振响应分析时不容忽视。研究结果对大跨度悬索桥的风致抖振分析具有参考价值。     

大跨刚构桥梁气动弹性试验及分析

对位于台风袭击地区的大跨预应力混凝土薄壁柔性墩刚架桥,其最大双悬臂状态为在整个施工过程中最不利抗风状态。本文以一座位于强台风地区的实桥为例,通过对此类桥梁的成桥和施工状态的动力特性的特点、全桥气动弹性模型的设计方法、紊流风场的模拟和风洞试验的介绍,讨论了这种变截面结构桥梁的气动弹性问题,在准定常假定的基础上,给出了此类桥梁的驰振稳定性判别准则和频率域中的抖振分析方法,并同试验结果进行了比较     

紊流积分尺度对桥梁抖振响应作用效应分析

紊流积分尺度的大小决定了脉动风对结构的影响范围,在结构风振响应分析中具有不可忽略的意义。通常在被动发生紊流风洞试验中,来流积分尺度难于有效模拟,紊流积分尺度对于结构风振响应作用效应缺少合理评价。针对我国已建成的几座大跨度桥梁,利用桥梁二维抖振频域分析方法,结合主梁节段模型风洞试验气动力参数识别结果,对不同紊流积分尺度下的桥梁抖振响应进行对比分析,研究了不同紊流积分尺度脉动风作用下,桥梁结构基频对应风谱能量和抖振响应的差别。分析表明,通常情况下,小比例模型(缩尺比1:400-1:600)紊流积分尺度能够较好的满足相似比要求,往往使得风洞试验的抖振计算结果更接近真实值。大比例模型(缩尺比1:20-1:40)的紊流积分尺度相似性严重偏离,需要对风洞试验结果进行修正。     

考虑桥塔风场效应的斜拉桥抖振时域分析

与以往的抖振时域分析中仅模拟主梁风场不同,本文则同时模拟了主梁风场和桥塔风场,探讨了桥塔风场效应对主梁及桥塔抖振响应的影响,计算中采用了风洞中实测的紊流风速谱。空间相关性是影响桥梁抖振响应的一个重要因素,在杭州湾跨海大桥风洞试验中,对风洞空间相关性进行了测量研究,并在风场模拟时将衰减因子取为实测值。数值计算结果与风洞试验结果进行了对比,吻合较好,分析比较还表明:考虑桥塔抖振效应会显著增大桥塔的横桥向抖振响应,而对桥塔的顺桥向振动以及主梁振动影响不大。     

大跨度斜拉桥风洞试验和计算分析的一致性研究

为考查大跨度斜拉桥风洞试验和计算分析两种研究方法间的一致性,以宜宾长江大桥为工程背景,针对该桥最大单悬臂状态,采用有限元方法分析结构静风响应,采用频域随机振动分析方法计算结构的抖振响应,并将计算分析得到的静风响应和抖振响应与气弹模型风洞试验结果进行对比分析,讨论了计算分析和风洞试验两种研究方法各自的精度以及两者间存在差异的原因。研究表明:对于较为显著的响应,两种方法的分析结果在总体上是一致的。     

杭州湾南航道独塔斜拉桥抗风性能试验研究

杭州湾大桥为目前世界最长的跨海公路大桥,主桥包括南航道和北航道两座大跨度桥梁,抗风稳定性是控制主桥设计和施工的主要因素。采用单梁法力学计算模型对杭州湾南航道独塔斜拉桥成桥状态及施工状态进行动力特性分析,并通过节段模型风洞试验方法进行了测振试验和静三分力试验,即可测定颤振临界风速、气动导数、涡激振动响应、抖振响应和静力三分力系数,据此分析评估该桥的抗风性能。风洞试验结果表明:该桥具有较好的抗风稳定性。     

钢桥塔涡振气动控制措施研究

杭州之江大桥桥塔为曲线型钢桥塔,刚度与阻尼较小,桥塔自立状态出现涡振的可能性较大.为确定桥塔的涡振风速锁定区间及涡振振幅,进行了全塔气弹模型试验.试验结果显示,在横桥向来流的作用下,桥塔顺桥向涡振振幅过大,需要采取气动控制措施加以控制.试验中所采用的气动措施包括:在桥塔凹角处增加扰流栏杆、多孔角型扰流器和多孔扰流板等控制措施.进一步的试验结果显示,多孔扰流板的涡振控制效果显著,能有效降低涡振振幅,满足规范的限值要求.多孔扰流板的减振机理是其允许适量的气流穿过其孔洞,从而扰乱或削弱桥塔两侧角部有规律的旋涡脱落.     

考虑桥塔风效应的多塔斜拉桥抖振响应分析

该文以6塔斜拉桥——嘉绍大桥为研究对象,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,研究了多塔斜拉桥主梁和桥塔在强风作用下的抖振响应特性,并详细考察了自激力和桥塔风效应对主梁和桥塔抖振响应的影响。分析结果表明:1) 主梁与桥塔的风致抖振响应与结构的振动特性联系紧密,其抖振响应由于主梁与桥塔的动力耦合作用呈现出一定的独特性;2) 考虑自激力后主梁竖向抖振响应明显减小,而对主梁横桥向和扭转抖振响应影响相对较小。同时,自激力对桥塔的横桥向抖振响应基本没有影响,但对桥塔的顺桥向抖振响应起到了明显的抑制作用;3) 桥塔风效应对主梁的竖向和扭转抖振响应以及桥塔的顺桥向抖振响应基本没有影响,但会对主梁和桥塔的横桥向抖振响应产生较大影响。     

薄膜结构随机风场模拟和耦合风振响应分析

发展了一种以脉动风速曲线的人工模拟为基础的非线性随机振动的时域分析方法。应用自回归滑动平均(ARMA)模型对大跨度薄膜结构随机风场进行了数值仿真;采用Wilson-θ逐步积分法和Newton-Raphson迭代法推导了薄膜结构在抖振力作用下的非线性动力增量平衡方程,可考虑风与结构物的耦合作用,进一步求出结构的时程响应曲线和统计特性;对参数变化对结构抖振响应的影响进行了分析,从而分析索膜结构的抖振响应特性。     

Wind tunnel study of aerodynamic wind loading on middle pylon of Taizhou Bridge

Wind loading on steel pylon will take majority part of the whole wind loading on bridges. In traditional wind-resistance design, wind loading on pylons is determined according to codes, or by using CFD techniques. In this paper, segment sectional model tests are carried out to investigate the wind loading on middle pylon of Taizhou Bridge, which has complicated three-dimensional flow due to its feature of double columns. Through the force measuring tests, aerodynamic force coefficients of every segment of the pylon columns have been obtained. It is found that the tested aerodynamic force coefficients are much smaller than those given by codes. The interference effects of aerodynamic force coefficients between columns of pylon are discussed. The results show that the interference effect is the most evident when the yaw angle is about 30 º from transverse direction. This kind of interference effect can be described as diminutions in transverse aerodynamic force coefficients and magnifications in longitudinal aerodynamic force coefficients of downstream columns.