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。     

倾斜栏杆对流线型箱梁涡激振动性能影响的试验研究

涡激振动(VIV)是大跨度桥梁在低风速时易发生的具有强迫和自激双重性质的自限幅风致振动现象,桥面栏杆因其会改变主梁的气动外形而对涡激振动有显著的影响。为了揭示倾斜栏杆对流线型箱梁涡激振动特性的影响及作用机理,采用节段模型风洞测压和测振试验方法,研究不同倾斜角度栏杆对流线型箱梁涡振特性和表面风压的影响,分析了主梁涡振响应、平均和脉动风压分布、局部气动力与涡激力的相关性和贡献系数以及相位差。结果表明：当人行道栏杆内倾时,倾斜角度越大,抑振效果越显著。当人行道栏杆外倾时,外倾10°的主梁抑振效果优于外倾20°的主梁;相比常规的垂直栏杆,栏杆向内倾斜20°和向外倾斜10°有显著抑振效果的原因主要有：主梁上、下表面的脉动风压系数大幅度较低,最多降低了61.54%;在主梁上表面大部分区域,局部气动力与涡激力的相关性系数大幅降低,平均降低了约33.33%;在上表面上游前部和下游尾部及下表面大部分区域的涡振贡献系数均有不同程度的降低;上、下表面各测点间相位差变化的连续性被打断,相邻测点间的相位差更加离散化。     

双幅连续梁桥钢箱梁涡激振动机理分析

对某双幅钢箱梁连续梁桥涡激振动进行风洞试验和数值模拟研究。基于二次开发UDF(user defined function)程序嵌入Fluent软件进行二维流固耦合分析,模拟了双幅桥梁断面的涡激振动;通过对比节段模型风洞试验及数值模拟结果,验证了数值模拟方法的可靠性,并从流场的角度直观分析双幅钢箱梁断面涡激振动机理。研究结果表明：上游幅主梁断面下表面的主涡与其背风侧的正压区的周期性变化诱发了上游幅主梁断面的竖向涡激振动;下游幅主梁断面上、下表面的旋涡交替作用于主梁断面并脱落,形成了周期性的作用,导致了下游幅主梁断面的竖向涡激共振;下游幅主梁断面上、下表面的旋涡分别在迎风侧栏杆与上游幅箱梁尾部、下游幅箱梁前端得到增强,导致了下游幅主梁断面的涡激振动的振幅大于上游幅主梁断面。研究结果为双幅桥梁或双钝体断面的涡激振动研究提供参考经验。     

基于桥梁断面压力分布统计特性的抑流板抑制涡振机理研究

通过测量大比例流线形扁平钢箱梁模型（１：２０）涡激共振时表面压力,研究典型钢箱梁常用设计断面涡激振动、静止、以及安装抑流板后涡激共振性能。综合对比分析三种工况模型表面压力系数均值、根方差、局部气动力与涡激气动力相关系数等时域统计特性;表面压力脉动的功率谱、局部测点气动力与总体断面气动力间的在模型竖弯频率处的相位谱和相干函数等频域统计特性。研究发现：竖弯涡激共振产生原因是流线模型上表面下游的气流再附区域强烈压力脉动以及箱梁下表面与总气动力具有较强相关性的压力脉动,整体断面各测点脉动压力具有相同的卓越频率。针对本项研究试验实例,抑流板措施减弱了箱梁中下游位置压力脉动的分布强度和作用时序的相关性,可以有效地抑制涡振。     

矩形断面主梁涡激振动气动力展向相关性试验研究

桥梁主梁结构涡激振动具有三维特性,主梁涡激力沿展向并不完全同步。在均匀流场条件下针对宽高比为5的矩形断面主梁分别进行了振动状态和静止状态风洞试验,对其气动力、尾流风速、表面压力展向相关性等进行研究。结果表明:振动状态矩形断面主梁气动力展向相关系数比静止状态大,涡振锁定区内升力系数相关系数最大值位于锁定区间上升段而非振幅最大处。振动状态矩形断面主梁尾流区顺风向及竖向脉动风速展向相关系数小于其气动力展向相关系数;静止状态矩形断面主梁尾流区顺风向脉动风速和竖向脉动风速展向相关系数沿展向距离呈指数衰减,且不同风速下对应的衰减曲线比较接近。     

扁平流线型箱梁涡激振动雷诺数效应研究

风洞试验作为研究涡激振动的重要手段,由于其本身条件的限制,可能存在雷诺数效应问题,造成试验值和实际值的偏差。为了研究扁平流线型箱梁涡激振动的雷诺数效应,选取某大跨度斜拉桥的扁平流线型箱梁作为研究对象,利用风洞测振试验,通过调节模型系统自振频率,实现不同雷诺数下的涡激振动,研究扁平流线型箱梁的涡激振动特性及其雷诺数效应;利用风洞测压试验,研究了主梁断面的风压分布规律及其对涡激振动的贡献。结果表明：扁平流线型箱梁的涡激振动存在明显的雷诺数效应,高雷诺数下的振幅较低雷诺数下更小;在某一雷诺数下,与下表面相比,主梁上表面对涡激振动的贡献更大,尤其是腹板区域的下游部分;在不同雷诺数下,主梁脉动风压分布存在显著差异,脉动风压系数随雷诺数的改变是造成涡激振动雷诺数效应的原因。     

气动措施抑制桥梁涡振机理研究

通过表面测压方法研究了桥梁主梁基本断面、添加抑流板或导流板后断面的涡激共振特性;基于三种断面不同风速各测点压力时程,综合对比分析脉动压力系数均值、标准差、功率谱及局部与总体气动力相关性对涡振的影响,揭示了扭转涡振及气动措施抑振的机理。研究发现:扭转涡振的根本原因是上表面上游的分离使得中游和下游区域压力脉动非常强烈,各测点脉动压力具有相同卓越频率,且与总体气动力具有良好的相关性;抑流板改善了上表面流场分布,有效抑制了涡振;而导流板对上表面流场基本无影响,未能抑制涡振。     

流线闭口箱梁涡振气动力的雷诺数效应研究

涡激振动是大跨度桥梁在低风速易发的自限幅风致振动现象。针对典型流线闭口箱梁断面,分别进行了1∶70和1∶20主梁节段模型同步测振、测压风洞试验,对应以梁高为特征尺寸雷诺数范围分别为6.08×10~3～2.28×10~4和1.06×10~4～1.40×10~5,研究了雷诺数效应对箱梁涡振响应及表面气动力时频特性的影响。+3°初始攻角下,主梁断面存在明显涡振现象。与小比尺模型相比,大比尺模型竖向涡振发生风速低,振幅大,且出现了小比尺模型未观测到的扭转涡振现象。分别选取典型风速结点,进行表面气动力时频特性分析表明:不同雷诺数条件下,表面平均风压系数、压力系数根方差及分布气动力与涡激力相位差空间分布均有所不同,表现出显著的雷诺数效应;高雷诺数时,上表面下游、中上游和下表面区域气动力对涡激力贡献较大,其中上表面下游区域气动力对涡激力起增强作用,其它区域气动力对涡激力起抑制作用;低雷诺数时,上表面中上游区域气动力对涡激力几乎无贡献,上表面下游区域气动力对涡激力的贡献与高雷诺数时相近,下表面区域和迎风面斜腹板区域气动力对涡激力抑制作用远小于高雷诺数时。特别是下表面与下游风嘴转角附近区域气动力对涡激力抑制作用远大于高雷诺数时,可推断这正是低雷诺数时涡振幅值远小于高雷诺数时的主要原因。     

流线型箱梁涡激振动的气动力演化规律

涡激振动是大跨度流线型箱梁桥在低风速下常见的风致振动形式,对桥梁结构的疲劳寿命和行车舒适性有较大影响。为揭示流线型箱梁涡激振动机理,有必要研究其涡激振动的气动力演化规律。以某流线型箱梁桥为对象,通过同步测振测压的风洞试验方法,获得了+5°风攻角下主梁模型的涡激振动响应及表面测点风压时程,对比分析了涡激振动前、涡激振动振幅上升区、涡激振动振幅极值点、涡激振动振幅下降区和涡激振动后五个不同阶段模型表面的平均风压系数、脉动风压系数和涡激力的变化规律。结果表明：在涡激振动的不同阶段,流线型箱梁表面平均风压系数变化不大,而脉动风压系数分布具有明显的演化过程。涡激力在涡激振动振幅上升区、涡激振动振幅极值点及涡激振动振幅下降区有明显的卓越频率,且与结构自振频率相近,涡激振动前和涡激振动后无明显卓越频率。涡激力卓越频率对应的振幅与涡激振动位移振幅正相关,两者同在涡激振动振幅极值点处达到最大。     

稳定板对带式输送机边主梁斜拉桥涡振性能影响机理的研究

为研究稳定板对桥面安装带式输送机的边主梁斜拉桥涡振(vortex inducedvibration, VIV)性能影响的机理,通过节段模型测压试验获取边主梁表面压力时程,综合对比分析不同稳定板工况下断面脉动压力系数均值、标准差、功率谱、局部与总体气动力的相关性,并揭示下稳定板对边主梁桥的抑振机理。研究发现：该类型主梁竖弯涡激共振发生的原因为上表面前部分离与再附区域强烈的压力脉动,下表面前部气动力与总体气动力的强相关性及后部具有明显相关性的强烈的压力脉动;梁底布置一道稳定板能显著降低断面压力脉动,布置两道稳定板断面压力脉动进一步降低,从而大幅抑制涡振;梁底布置三道稳定板促进了气流在下游风嘴处的再附,断面压力脉动被大幅削弱,局部气动力与总体气动力相关性被显著破坏,从而有效抑制涡振。     

中央稳定板提高颤振稳定性能的细观作用机理

通过CFD数值模拟以及PIV风洞试验研究了中央稳定板对矮寨桁架梁悬索桥断面绕流的细观作用机理。CFD数值模拟表明中央稳定板促进了在桥面中央附近形成位于上下桥面的旋涡对,使之相当于升力的作用。有稳定板断面前端和尾部的旋涡体积增大,进而使桥梁断面在颤振中的竖向自由度参与作用增强。PIV流迹显示气流在中央稳定板的背风侧形成了漩涡,在模型尾部同样有旋涡的形成,进一步验证了CFD数值模拟的正确性。     

运营状态斜拉桥考虑拉索涡激振动的钢锚箱疲劳实测研究

为研究桥面随机车流通行和拉索涡激振动共同加载下斜拉桥钢锚箱应力响应特征,评价钢锚箱构造细节的疲劳性能,在某大跨度斜拉桥上开展了拉索涡激振动的现场观测和钢锚箱构造细节的应力实测。采用雨流计数法获得了构造细节应力幅,并基于名义应力法评估了钢锚箱的疲劳性能。研究表明,斜拉索在无雨和较低风速下发生了高阶多模态涡激振动,来流风向近似垂直桥轴线,面内振动明显大于面外,观测到的最大加速度达24 m/s2。钢锚箱构造细节的应力影响线长,为主体构件受力特征,一辆货车通过桥梁在锚箱构造细节上仅产生一个应力幅。拉索涡激振动时,构造细节应力响应未见拉索涡激振动频率成分,因此拉索涡激振动对锚箱动力加载可忽略。应力监测表明,锚箱顶、底板与外腹板焊缝主要传递剪应力,桥面端应力响应大于其中部和下部,也明显大于其他构造细节。锚箱顶板与外腹板焊缝桥面端响应最大,应力幅达46.6 MPa。研究认为,除顶、底板与外腹板焊缝的桥面端构造细节外,其他构造细节均具有无限疲劳寿命。     

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。     

基于风洞试验和数值模拟的双矩形断面涡振气动干扰研究

采用节段模型风洞试验和CFD数值模拟对宽高比为5∶1的双幅矩形断面涡振气动干扰进行了研究。分析了不同水平间距对双矩形断面竖弯和扭转涡振响应的影响。在水平间距比为1.2时进行了动态压力测试,并分别对竖弯和扭转涡振风速下的脉动风压场进行POD分析。结果表明双矩形断面间存在显著的气动干扰,且一般而言下游断面的涡振响应大于上游断面。前两阶本征模态与双矩形断面涡振相关联,由前两阶本征模态可重构脉动风压场。CFD数值模拟的结果表明双矩形断面的涡振符合“撞击剪切层失稳机制”,且一个周期内上游断面下风向以及下游断面上风向区域的流动变化较为显著。CFD模拟与POD分析的结果相符合,两者相结合可用于分析双矩形断面的涡振现象。     

复杂周边环境下超高层建筑的强风动力响应特性

对处于强风地区复杂周边环境下的某方形截面超高层建筑分别进行了刚性模型测压试验和高频天平测力试验。基于测压试验得到的结构表面的风压分布,采用随机振动理论,进行了风致振动响应计算,结果表明其上下一致的方形截面导致漩涡脱落强烈,强风下横风向涡激响应非常显著,值得重视。在高频天平测力试验得到的基底弯矩谱上同样可以看到在涡脱频率附近的显著峰值。基于基底弯矩谱试验值同样计算了结构的风致振动响应,其结果与基于刚性模型测压试验计算的各响应非常接近,从而验证了2 种试验方法的可靠性。     

大跨度悬索桥涡激振动动态监控预测

大跨度悬索桥的涡激振动发生频率较高,严重时将影响到行车安全性和舒适度。为了能及时预测大跨度悬索桥的涡激振动,以某跨海大桥为例,依托其结构监测系统长期监测数据,选取了顺风向平均风速、风向角、能量集中系数以及加速度均方根(RMS)作为涡激振动发生的特征参数,根据特征参数与涡激振动的相关性,构造了跨海大桥涡激振动的动态监控预测模型,建立了独立的涡激振动动态监控系统。结果表明:涡振发生时风向角主要分布在300°~330°与120°~150°;能量集中系数(功率谱密度之比W P2/W P1)小于0.1;主桥振动加速度均方根值大于5 cm/s 2;构造的系统模型预测识别率达到72%,建立的涡激振动动态监控系统识别准确率达到93%,同时开发了涡激振动预警App,实际预警效果良好,可为同类型桥梁的涡激振动预测提供借鉴。     

基于经验线性涡激力的桥梁涡激振动TMD控制

涡激振动是大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动,是大跨度桥梁抗风设计中的重要环节。为了有效抑制桥梁的涡激振动,研究了TMD对桥梁涡激振动的控制。建立了桥梁与TMD组成的振动系统的运动方程,在复频率里对运动方程进行求解,推导了振动系统的频率响应函数,给出了TMD参数优化设计的方法。以一大跨度悬索桥为实例,对该悬索桥进行了1∶20的大节段模型涡激振动风洞试验,获取了桥梁的涡激振动气动参数,分析了TMD对桥梁涡激振动的控制。TMD参数优化结果表明:质量比越大,控制率越高,但工程中应综合经济性等因素考虑合适的质量比;TMD质量比一定时,TMD与桥梁的频率比趋近于1附近,相位差趋近于π/2附近,控制率较高;当桥梁主梁高度对TMD行程有限制时,涡振控制效果将受到影响,利用TMD进行桥梁涡激振动控制需结合TMD的行程来综合考虑参数的优化取值;就本桥而言,当按质量比为1%设计TMD最优参数时,在整个涡振区风速范围内,桥梁的涡激振动都得到了有效的抑制。