Π型钢-混叠合梁斜拉桥涡振性能及整流罩制振措施研究EI北大核心CSCD

大跨度Π型钢-混叠合梁斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)。为了抑制涡激振动,采用1∶50节段模型风洞试验,研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用,包括下稳定板、导流板、裙板、整流罩等措施。试验结果表明,只有整流罩与下中央稳定板的组合气动措施能在不同风攻角和0.66%的阻尼条件下,将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低75%以上。在此基础上,通过提高整流罩竖板高度优化了该制振措施,继而开展的1∶20节段模型风洞试验的结果表明,优化后的措施能够完全消除Π型叠合梁在不同风攻角和0.5%小阻尼比下的涡激振动。最后,数值计算的结果表明,优化后的整流罩组合措施能够同时降低主梁上、下表面旋涡脱落尺寸,并显著减小主梁受到的周期性涡激力,从而达到抑制主梁涡振的效果。研究成果可为Π型钢-混叠合梁斜拉桥的涡振制振措施设计提供参考。     

大跨度公铁两用双层钢桁桥涡激振动控制研究

桥梁的涡激振动主要受到主梁断面的气动外形、结构动力特性与来流特性的影响,而大跨桥梁是典型的风致敏感结构,所以在大跨度桥梁的设计中应当引起重视。以某大跨度公铁两用双层板桁组合桁架桥为背景,在XNJD-1回流串联风洞中进行了风洞试验,研究了该主梁的涡激振动现象。通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟分析了其主梁断面的涡激振动机理,并且将展向周期摄动法应用于钢桁梁的涡激振动控制,采取了一系列气动控制措施来抑制主梁的涡激振动,其中L型分流板与波浪形风嘴完全抑制了主梁的涡激振动。还通过风洞试验研究了波浪形风嘴的几何参数对抑振效果的影响,试验结果表明,波浪形风嘴的抑振效果对幅值变化比较敏感,增大幅值可以有效抑制主梁的涡激振动。     

外置纵向排水管对扁平钢箱梁涡振性能的影响及气动控制措施研究

为研究外置纵向排水管对扁平箱梁涡振性能的影响,以某大跨度扁平钢箱梁悬索桥为工程背景,采用1∶50节段模型风洞试验,分别对有无外置纵向排水管的扁平箱梁涡振性能进行研究。试验结果表明：原设计扁平箱梁在0°与±3°风攻角下均发生显著涡激振动,通过在检修车轨道处设置内侧导流以及将外侧防撞栏杆隔二封一可以有效抑制断面涡振振幅至规范限值以下,但沿桥纵向设置外置排水管会显著降低主梁涡振性能,并使原有效涡振制振措施失效。通过计算流体动力学对主梁断面二维流场的模拟结果表明,外置纵向排水管会同时改变扁平箱梁断面下表面迎风侧与背风侧斜腹板处的旋涡脱落形态,在此基础上,通过在外置纵向排水管处增设导流板与水平稳定板用以改善该处的气体绕流形态,并据此提出了一种水平稳定板、导流板与间隔封闭栏杆共同作用的组合气动措施。试验结果表明,该组合措施能够显著抑制主梁的涡激振动,同时数值模拟结果表明,能够显著减弱斜腹板处的旋涡脱落现象,从而降低主梁受到的周期性涡激力,是该组合气动措施能够抑制梁体涡激振动的主要原因。     

边主梁叠合梁涡振性能气动优化措施风洞试验研究

以某大跨双边主梁钢混叠合梁斜拉桥为工程背景,通过风洞试验研究钝体主梁断面的涡振性能并提出合理的气动优化措施。试验发现边主梁叠合梁开口截面主梁在低风速下容易发生涡激共振,且随攻角由正变负涡振性能愈发不利。气动措施优化结果表明边主梁底部设置外侧设置水平稳定板比在内侧设置水平稳定板效果明显。而梁底竖向稳定板对竖向涡振起到一定抑制作用,但是却导致扭转涡振加剧;检修道栏杆顶部抑流板的制涡效果优于在梁底设置水平稳定板,说明主梁断面上部构造对其涡振性能影响更显著。而在边主梁两侧设置风嘴,其制涡效果最好,涡振幅值抑制率达80%。     

搭载给水管的宽幅流线型钢箱梁涡振性能及抑振措施研究

为研究给水管不同设置位置对宽幅流线型钢箱梁的涡振性能影响及涡振抑制措施,以某大跨度扁平钢箱梁斜拉桥为研究对象,制作缩尺比为1:50的钢箱梁刚性节段模型进行风洞试验和数值模拟计算。首先对比分析了风攻角为0°、±3°时,给水管设置在主梁风嘴内(Ⅰ型)和设置在桥面上(Ⅱ型)两种不同断面形式的主梁涡振特性;并采用数值模拟探究了给水管对主梁涡振性能影响的作用机理。其次,研究了结构阻尼比对Ⅰ型断面主梁涡振性能的影响;最后,通过试验测试了栏杆透风率、栏杆抑流板等气动措施对Ⅰ型断面主梁涡振性能的影响。试验结果表明：给水管是涡振敏感构件,对于Ⅰ型断面,风攻角为-3°时,主梁未出现涡振现象;风攻角为0°时,有小幅涡振响应;风攻角为+3°时,出现明显的涡振现象;Ⅱ型断面主梁无涡振现象发生。数值模拟结果显示,给水管放置在主梁外部可以有效降低上表面旋涡的尺寸,从而抑制涡振的产生。增大结构阻尼比可以有效抑制主梁的涡振;改变栏杆透风率抑振效果不明显;设置抑流板对抑振效果明显。     

宽幅Π型主梁涡振机理及优化措施研究EI北大核心CSCD

该研究以某宽幅跨江大桥Π型主梁为例,通过风洞试验和数值模拟系统地研究了该桥面的涡振(vortex-induced vibration,VIV)性能及控制措施。首先,对该桥面节段模型进行风洞试验测试,试验结果表明,该桥面原始设计方案气动外形较差,在常遇风速下会发生较大幅值的涡激振动,振动幅值超过规范所限定的最大幅值;随后,开展了5种典型的气动措施研究,并通过风洞试验对其涡振控制性能进行测试;然后,使用数值模拟对该断面的涡振与抑振机理进行研究。对比分析5种措施的试验结果,得出4点主要结论:(1)风嘴越向下偏心,抑振效果越好;(2)大尺寸风嘴涡振控制性能优于小尺寸风嘴;(3)风嘴边缘设有水平板有利于气流的提前分离,可提升抑振性能;(4)倒“L”形裙板的扭转涡振控制效果优于风嘴。基于以上试验结论,选取原始断面与控制效果较好的措施进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,旨在探究Π型梁涡振的诱发机理及控制机理。由模拟结果分析得到,Π型梁涡振的主要诱因是由于气流在桥面上游角点处分离形成剪切层,随后在箱内形成与桥面尺寸相当的大尺度漩涡所引起的。涡振的控制机理在于通过安装气动措施,整流分离后的气流,削弱剪切层能量,进而提升Π型梁的涡振性能。该研究对Π型梁涡振性能优化具有一定的指导意义,并提出了几种有效的抑振措施,为类似桥面的工程设计提供了依据。     

带高防抛网边主梁斜拉桥气动性能试验研究EI北大核心CSCD

为研究带高防抛网边主梁斜拉桥的气动稳定性能,以某跨铁路站场边主梁斜拉桥为工程背景,通过节段模型及气弹模型风洞试验综合研究了带高防抛网边主梁斜拉桥的气动稳定性能,并确定了其合理的气动优化措施。利用1∶50比例节段模型风洞试验,测试了各个攻角下主梁的风振响应;在低紊流度流场条件下,通过改变防抛网透风率,对主梁的涡振性能进行优化。设计并制作1∶100比例气弹模型,在不同地表风场类型中进行了风洞试验测试,研究了不同攻角及偏角下全桥气弹模型的涡振性能。风洞试验结果表明:均匀流场中,设置60%透风率的防抛网的节段模型与气弹模型,在最不利3°攻角下,仍发生超过规范限值的竖向涡振。节段模型试验中,在5%紊流风场条件下,主梁断面设置60%透风率的防抛网可以有效抑制涡振,且考虑三维效应的全桥气弹模型与节段模型试验结果相同,无涡振现象发生。     

大跨度双幅连续钢箱梁桥涡激振动特性风洞试验研究

基于崇启大跨度连续梁桥,设计制作大尺度全桥气弹性模型,通过风洞试验对其在均匀流下响应进行研究,确定大跨度双幅钢箱梁连续梁桥涡激振动特性,分析双幅主梁产生两主涡振区机理,模拟外加结构阻尼对涡激振动减振效果。结果可为大跨度双幅钢箱梁连续梁桥抗风设计提供参考。     

钢-砼叠合边主梁斜拉桥稳定板气动措施研究

钢-砼叠合边主梁断面广泛应用于大跨径斜拉桥中,但该断面形式容易产生大幅涡激共振,颤振风速也较低,应用于沿海地区桥梁常常需要附加抑振气动措施。基于两座实际的斜拉桥工程方案,通过节段模型风洞试验,对稳定板气动措施的抑振效果进行了研究。结果表明,通过合理布置稳定板这类气动措施可以有效抑制边主梁断面涡激共振的发生,并且可以改善颤振性能,提高颤振临界风速。     

Ⅱ型叠合梁斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

为研究II型开口截面主梁的涡振性能并提出合理性控制措施,以某跨海叠合梁斜拉桥为研究对象,进行一系列节段模型风洞试验。研究表明,II型开口截面主梁在低风速下易发生涡激共振,且该桥涡振现象在阻尼比1%以下范围内均存在;桥面防撞栏杆及检修道护栏采用圆截面形式有利于减小涡振振幅;改尖角度风嘴能显著抑制涡激共振,且风嘴角度越小控制效果越好;桥梁断面底部双主肋转角处设置水平隔流板能有效减小甚至消除涡激振动,在一定范围内增加板的悬挑宽度对控制效果有利。     

Π型叠合梁斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

为研究Π型开口截面主梁的涡振性能并提出合理性控制措施,以某跨海叠合梁斜拉桥为研究对象,进行一系列节段模型风洞试验。研究表明,Π型开口截面主梁在低风速下易发生涡激共振,且该桥涡振现象在阻尼比<1%以下范围内均存在;桥面防撞栏杆及检修道护栏采用圆截面形式有利于减小涡振振幅;改尖角度风嘴能显著抑制涡激共振,且风嘴角度越小控制效果越好;桥梁断面底部双主肋转角处设置水平隔流板能有效减小甚至消除涡激振动,在一定范围内增加板的悬挑宽度对控制效果有利。     

大跨度钢箱桁组合连续梁桥涡振性能研究

主梁的大幅涡振一直是困扰跨海连续梁桥的主要病害之一,但对箱桁组合断面主梁的涡振研究较少。拟建的澳氹第四跨海大桥为一座变截面非对称钢箱桁组合连续梁桥,主梁宽度近50 m,且桥面附属结构呈非对称分布,气动外形极为复杂。该文采用1∶70缩尺比的跨中主梁断面节段模型风洞试验研究了澳氹四桥的涡振性能,对比分析了风攻角、紊流度、桥梁阻尼比、附属结构气动外形等因素对主梁断面涡振性能的影响。并通过将外侧栏杆、电缆箱、供水管、风障及防撞栏杆等桥面附属结构拆解,探讨了主梁涡振的原因。进一步比较了中跨跨中(L/2)及三分之一跨(L/3)两种不同断面的涡振性能差异。研究表明：宽幅钢箱桁组合梁断面容易在负攻角下发生大幅涡振,且不同位置两种断面涡振性能差异显著,高耸桁架的遮挡效应对该类桥梁涡脱特性影响较大;非对称横断面形式对涡振性能影响较大,减小外侧栏杆透风率以及采用布置位置合理的下扰流板可有效减小涡振幅值。基于风洞试验数据识别了涡振尾流振子模型的气动参数,准确重现了涡振幅值-风速关系曲线。     

流线型闭口箱梁抑流板抑制涡振机理研究

涡激振动是大跨度桥梁在低风速时易发的自限幅风致振动现象,设置栏杆扶手抑流板为典型涡振抑制措施。以某典型闭口箱梁断面为研究对象,进行了大尺度节段模型测振、测压风洞试验和CFD数值模拟,结合涡振响应、表面风压时频特性和流场特征,对比阐述了栏杆扶手抑流板抑振机理。原始断面在+3°初始攻角下出现明显竖向涡振现象,且振幅超过规范允许值。设置栏杆扶手抑流板后,涡振消失。原始断面涡振主要由气流分别在边防撞栏和检修轨道处诱导并在上下表面中部区域分别形成的主导涡引起,即‘双旋涡模式’引起的周期性气动力是涡振发生的内在机理。设置栏杆扶手抑流板主要是改变了断面上表面区域流场分布,气流受抑流板干扰,在其后产生连续的旋涡脱落,改变了下方气流移动路径,下方气流近乎水平通过边防撞栏区域,避免了边防撞栏横栏角部的流动分离,抑制了主导原始断面涡振的上表面主导涡,完全破坏了‘双旋涡模式’,极大降低了局部气动力与涡激力之间同步相关性及表面压力脉动;同时表面气动力脉动频率随机离散化,模型表面各区域气动力对涡激力的贡献均明显下降,无法激发整体结构涡振效应,故涡振消失。     

边箱钢-混叠合梁颤振性能及气动措施研究

为了研究边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振性能,以某大跨度悬索桥为背景,通过一系列节段模型风洞试验,研究了边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振形态及特性,并详细分析了上、下中央稳定板、水平导流板、裙板、锐化风嘴等气动措施对其颤振性能的影响。结果表明:边箱钢-混叠合梁颤振呈现以扭转为主、单一频率振动的弯扭耦合振动特征,即出现软颤振现象,且振动频率与系统扭转频率相近;通过气动优化研究发现,对于边箱钢-混叠合梁,中央稳定板对于提高其颤振临界风速的作用有限,而水平导流板与裙板组合气动措施的作用效果明显,可显著提高其颤振临界风速。此外,锐化风嘴亦可改善边箱钢-混叠合梁颤振性能。     

不同槽宽分体箱梁桥梁的涡振及其控制措施

不同槽宽分体箱梁可以有效地提高大跨度桥梁的气动稳定性,但是其涡振性能还不够明确,研究了6种代表性开槽率分体箱梁的涡振性能随开槽率的变化规律,对比了4种控制措施（增大阻尼比、可调风障、导流板和隔涡板）的制振效果,并对其进行了综合评价。结果表明:闭口箱梁的涡振性能要优于开槽的分体箱梁;随着开槽率的增大,分体箱梁的竖弯涡振振幅先增后减,扭转涡振振幅表现较为敏感,其中,60%开槽率的竖弯涡振和80%开槽率的扭转涡振振幅最大。对比了60%和20%开槽率分体箱梁,增大结构阻尼比和增设小透风率的隔涡板可以明显的减小不同槽宽分体箱梁的竖弯涡振振幅,增大阻尼比和增设水平风障可以有效地提高不同槽宽分体箱梁的扭转涡振性能,而增设内置、外置导流板对的涡振控制效果取决于开槽率的大小。以上4种控制措施都可以满足分体箱梁的扭转涡振振幅要求,但只有增设0%透风率的隔涡板才能满足Sperling指标和抗风设计规范的竖弯涡振振幅要求。     

扁平箱梁涡激共振阻塞效应及振幅修正

风洞试验是涡激振动研究最为重要的手段之一。由于风洞尺寸的限制,涡激共振试验中存在一定的阻塞效应,然而已有关于涡激振动阻塞比效应的研究较为少见。数值风洞模拟方法可以自定义尺寸大小,从而避免实际风洞尺寸的限制。该文采用数值风洞方法,针对大跨度桥梁扁平箱梁,在阻塞比为1%、2.5%、3.89%、5%和8.75%下进行了竖向涡激共振分析,主要研究阻塞效应对扁平箱梁的气动力、涡激力及其分量、涡振振幅和流场等的影响。结果表明:随着阻塞比的增大,扁平箱梁的静力三分力系数、涡激升力、涡振振幅和受箱梁影响的流场范围均增大;涡激升力各分量的变化趋势各不相同,其中做正功的线性气动阻尼力先略减小后增大,做负功的非线性气动阻尼力持续减小;在2.5%阻塞比以内,上述各项的变化幅度几乎都在5%以内。最后,基于数值结果,该文给出了扁平箱梁涡振振幅的阻塞效应修正系数。     

箱梁表面的压力分布对颤振稳定性的影响EI北大核心CSCD

该文建立了箱梁表面压力与颤振导数之间的数学关系,探讨了表面压力的分布特性对箱梁颤振导数和颤振临界风速的影响。结合流固松耦合的计算方法,利用动网格技术模拟了箱梁的风致振动。采用分块分析方法研究了箱梁表面压力的局部特性对颤振导数以及系统振动能量的影响。研究结果表明:箱梁迎风侧风嘴附近的分布压力对模型振动的稳定性产生了不利的影响,而模型尾部的压力则有助于提高系统的颤振临界风速。当迎风侧的分布压力向模型尾部移动时,对箱梁颤振稳定性影响较大的颤振导数则会发生较显著的变化,箱梁的颤振临界风速也随之增加,因此断面迎风侧风嘴附近区域的分布压力对颤振导数和系统振动的稳定性影响最大。另外,迎风侧风嘴附近的区域也是振动系统吸收气动能量的主要部位,而箱梁尾部风嘴附近的区域则消耗系统的振动能量。箱梁表面压力与模型振动最大位移之间的相位差对颤振导数有较大影响,当相位差沿断面呈反对称分布,并使气动阻尼始终为负时,则有利于箱梁颤振的稳定性。     

π型开口截面斜拉桥弯扭耦合涡激共振及气动减振措施研究

针对某大跨径π型叠合梁斜拉桥的气动性能,利用刚性节段模型针对其成桥状态展开了系统的风洞试验研究。试验结果表明,该桥主梁在设计风速范围内存在明显的竖弯及扭转耦合涡激共振现象,即使将竖弯以及扭转阻尼比提高到1%左右,仍然存在明显的涡激共振现象并且振幅超过规范限值。频谱分析表明,该桥主梁断面的竖弯和扭转耦合涡激共振的频率是一致的,其涡振“锁定”的频率接近竖向固有频率。探讨分析了主梁断面的弯扭耦合共振频率特性及成因。通过风洞试验对包括中央稳定板、边稳定板以及导流板在内的一系列气动减振措施进行了参数化的研究,并提出了最优的减振方案,有效抑制了该桥的涡激共振现象。研究成果可为类似桥梁断面涡激共振减振设计提供参考。     

中央开槽箱梁断面扭转涡振全过程气动力演化特性

中央开槽箱梁因其优越的颤振性能而在大跨度桥梁建设中得到应用，但中央开槽存在引发结构大幅涡振的气动稳定性问题。以典型大跨度桥梁中央开槽箱梁断面为对象，进行弹簧悬挂节段模型风洞测压、测振试验。对比研究了扭转涡振锁定风速全过程起振点、上升区中点、振幅极值点、下降区中点及涡振结束点等涡振发展过程箱梁表面气动力演化特性。研究表明，箱梁表面气动力在涡振过程不同阶段具有明显的变迁历程，气动力特性与涡振响应有明显的同步演化关系。分布气动力对涡激力的贡献与扭转涡振振幅呈正相关关系，均在振幅极值点风速达到最大，下游箱梁上下表面后部区域及上游箱梁上表面前部区域对涡激力贡献较大，前两者起增强作用，后者起抑制作用，这些区域的气动力是引起中央开槽箱梁扭转涡振的主要原因。与闭口箱梁上下表面下游分布气动力对整体涡激力贡献相互抵消效应相比，中央开槽使得下游箱梁上下表面分布气动力均对整体涡激力起增强作用，这是中央开槽箱梁相比闭口箱梁涡振效应更加突出的重要原因。     

单面碰撞TMD及其桥梁涡激振动控制研究

单面碰撞调谐质量阻尼器(SS-PTMD)是一种新型减振装置,通过惯性力和黏弹性碰撞进行结构减振,针对SS-PTMD动力性能、碰撞力模型与验证、SS-PTMD桥梁节段模型涡振控制等开展了理论与试验研究。根据质量块单边运动受限和碰撞的特点,获得了SS-PTMD的动力特性;开展了钢-黏弹性材料碰撞试验,提出了碰撞力模型,根据试验数据识别了碰撞力模型参数,并验证了碰撞力模型;通过1∶40桥梁节段模型涡激振动风洞试验,发现+7°风攻角下出现了明显的涡激振动,根据简谐力涡激力模型识别了模型气动参数;采用仿真分析评估了SS-PTMD控制桥梁涡激振动的效果,在质量比2%及最大涡振振幅风速条件下的减振效率达到87%;通过风洞试验研究了SS-PTMD涡激振动控制效果,在质量比2%及最大涡振振幅风速条件下的减振效率达到92%;理论分析和试验结果表明,SS-PTMD对桥梁涡激振动具有很好的减振效果。