流线型桥梁断面表面脉动风荷载特性研究

气动力是大跨度桥梁抗风稳定性检算和振动分析的基础,流线型桥梁断面的气动力随雷诺数的变化问题是风工程研究和桥梁设计关注的问题。通过风洞试验,研究表面风压分布随雷诺数的变化规律,可以分析雷诺数效应发生的机理。通过刚性节段模型测压试验,获得了模型表面风压分布随雷诺数的变化,采用基于功率谱密度矩阵的特征正交分解方法,从频域上分析了结构表面的脉动压力场,解析了流线型桥梁断面表面脉动风荷载的主要分布形式和作用频率,分析了雷诺数变化对结构表面脉动压力场的影响。研究发现:流线型桥梁断面表面脉动风荷载的作用形式会随雷诺数的改变而改变,在特定位置流动分离和再附等现象会随雷诺数发生变化,从而影响整体的气动力和漩涡脱落规律。     

准流线型桥梁表面压力分布研究

桥梁的气动选型对于大跨度桥梁建设影响重大,准流线型桥梁断面具有较好的气动外形。为了进一步探究该种断面的气动特性,选取某个大跨度桥梁准流线型桥梁断面为研究对象,通过风洞试验测得模型表面风压分布,并分析其变化规律。结果表明:模型上表面前半部分存在明显的气流分离与再附;下表面仅存在分离过程,没有出现再附;模型上表面腹板和下表面左侧斜腹板存在较大脉动值,可能会对桥梁风致振动问题造成不利影响。     

桥梁断面表面压力分布及Strouhal数的雷诺数效应

为了研究桥梁断面Strouhal数的雷诺数效应,通过调节试验风速来改变雷诺数,并在模型表面布置测压点,进行风洞试验.测量了不同雷诺数下各测点的风压时程,分析了压力梯度及压力系数功率谱及涡脱频率的随雷诺数变化规律,研究了Strouhal数的雷诺数效应.研究发现桥梁断面的压力梯度及压力系数功率谱具有明显的雷诺数效应,高雷诺数下,通过风压频谱寻找涡脱频率的方法不可行.研究表明,桥梁断面的Strouhal数具有较为明显的雷诺数效应.     

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。     

基于欧拉多相流模型的桥梁主梁三维风驱雨数值研究

该文利用欧拉多相流模型,对矩形断面和准流线型断面的桥梁主梁进行了三维风驱雨数值模拟计算。通过计算,得到了桥梁主梁周围风雨流场的分布和主梁上雨滴平均冲击荷载分布,并重点探讨了降雨对桥梁主梁断面三分力系数的影响以及来流攻角和湍流强度的变化对风驱雨效应的影响。通过和相关风洞试验数据的比较,验证了欧拉多相流方法在桥梁工程风驱雨研究中的有效性和便利性,为桥梁工程风驱雨研究提供了一个新的手段。通过分析发现,降雨会影响桥梁主梁的三分力系数,但雨滴对主梁的平均冲击荷载相对于风荷载而言较小,影响并不显著;攻角和湍流强度的变化对风驱雨效应的影响亦不明显。     

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。     

宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应试验研究

矩形断面在实际工程中应用广泛，对其角部进行圆角化处理可有效减小风荷载并改善风致振动性能，然而圆角矩形断面的气动特性存在明显的雷诺数效应。为研究宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应，减小在这类断面结构的风荷载和风致振动分析中因雷诺数原因引起的误差，对5种不同圆角率(0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)的刚性模型进行了测压风洞试验，试验雷诺数范围为0.8×10⁵～3.6×10⁵。通过风洞试验得到并分析了不同圆角率矩形断面的平均阻力系数、平均风压系数和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律，并与标准矩形断面进行对比。研究结果表明：不同于标准矩形断面，5种圆角矩形断面的气动特性均表现了一定的雷诺数效应，这种雷诺数效应随圆角率的增大先增强后减弱，当圆角率为0.2时最强，其在雷诺数为2.8×10⁵时发生了明显跳跃；不同圆角矩形断面的平均阻力系数均随雷诺数的增加而减小。与其它位置相比，圆角矩形断面侧面和圆角位置处的风压系数受雷诺数影响更明显，其中圆角位置处最为显著。圆角矩形断面的斯特罗哈数在圆角率为0.1时基本稳定在0.22左右...     

斜拉索气动特性的雷诺数效应试验研究

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件,其气动特性研究是整体结构气动特性研究的基础。为探究表面光滑斜拉索气动特性的雷诺数效应,在均匀来流中进行了不同风速下的斜拉索节段模型风洞测压试验,得到了斜拉索气动力系数和平均风压系数随雷诺数的变化规律。结果表明：表面光滑斜拉索的平均气动力系数在不同雷诺数区有不同的表现,平均阻力系数在亚临界雷诺数区和超临界雷诺数区分别稳定在1.2和0.6附近,而平均升力系数为0,临界雷诺数区平均阻力系数迅速减小,对应地,平均升力系数从0增加到最大值又降低到0;对于脉动气动力系数,处于亚临界雷诺数区的脉动升力值远大于脉动阻力,意味着斜拉索横风向激励远大于顺风向;平均风压系数分布随雷诺数的增大经历了对称-不对称-对称的变化过程,体现了层流分离-单侧湍流分离-双侧湍流分离的变化规律,是平均升力系数变化趋势的定性响应,而斜拉索背压处平均基压系数绝对值的变化趋势与平均阻力系数一致。     

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。     

大跨度桥梁箱梁的三分力系数识别研究

该文针对高雷诺数风洞试验研究结果,分别对加拿大国家试验中心NRCC 试验和昂船洲大桥试验建模计算。使用标准k-ε 双方程湍流模型结合边界层网格建模,计算得到的三分力系数与试验数据吻合良好。分析了雷诺数、来流湍流强度、中央开槽宽度对桥梁断面三分力系数的影响。研究结果表明,雷诺数效应和开槽宽度对阻力系数存在影响,但对升力系数与升力矩系数影响很小,来流湍流强度对三分力系数影响均不明显。     

水线-雷诺数效应-斜拉索振动关系的试验研究

通过对不同位置粘贴有水线的斜拉索模型进行测力和测振风洞试验,分析了不同雷诺数下的阻力系数、升力系数和振幅等参数,研究了水线影响雷诺数效应及通过影响雷诺数效应导致振动的机理,研究结果表明:水线能影响力系数随雷诺数的变化规律,力系数的大小和变化规律与振动有着十分密切的关系;在较低的水线位置,随着雷诺数的上升,伴随着阻力系数的减小,升力系数大幅增大,发生类似临界雷诺数的效应,力系数随水线位置的变化规律导致驰振系数为负,在这种情况下发生大幅振动,用临界雷诺数效应和驰振均可解释;在较高的雷诺数下,伴随着阻力系数的减小,升力系数大幅变化,每个水线位置都发生了不同程度的振动,该振动的机理可能与临界雷诺数效应导致的振动机理类似。     

圆角处理的断面宽厚比为2∶1的二维矩形柱体气动力系数的雷诺数效应研究

在低湍流度的均匀流场中,测量了4种圆角率(R/D=0%、5%、10%和15%)的断面宽厚比为2∶1的二维矩形柱体模型在雷诺数1.1?105≤Re≤6.8?105范围内的表面风压时程,通过对模型表面风压时程积分的方法获得了模型的气动力系数时程,分析了四个模型的气动力系数的雷诺数效应以及雷诺数对各模型的气动力系数功率谱的影响。结果表明,随着圆角率的增大,模型的平均阻力系数减小,且平均阻力系数对雷诺数越来越敏感。所有模型的均方根阻力系数和均方根升力系数都呈现明显的雷诺数效应,且模型的圆角率越大,其均方根阻力系数和均方根升力系数对雷诺数越敏感。圆角率为0%和5%模型的脉动阻力系数功率谱和脉动升力系数功率谱基本不随雷诺数而改变,但圆角率为10%和15%模型的脉动阻力系数功率谱和脉动升力系数功率谱呈现明显的雷诺数效应。此外,圆角率对断面宽厚比为2∶1的二维矩形断面模型的Strouhal数也有明显的影响。     

桥面栏杆对流线型主梁气动力影响的试验研究

针对流线型箱梁对风荷载作用比较敏感的情况，以具有典型流线型箱梁断面的象山港大桥为工程背景，通过风洞测压试验方法，研究了施工态和成桥态主梁的平均阻力系数、平均升力系数和平均力矩系数随雷诺数Re的变化情况，同时也分析了桥面临空侧栏杆高度变化对主梁三分力系数的影响规律。研究结果表明：施工态的主梁平均升力系数与平均力矩系数会随着风攻角的增大而增大；成桥态的主梁三分力系数在涡振区间内(Re=2.92×10⁴～4.05×10⁴)变化较为复杂；随着雷诺数的增大，平均升力系数和平均力矩系数基本上呈现出栏杆高度越大其系数越大的趋势。     

箱梁断面静风力系数的CFD数值模拟

用计算流体力学(CFD)方法模拟了桥梁跨中断面周围的风场特征,不仅能得到流场的压力、速度和涡旋的分布,还提取了箱梁断面的三分力系数。分别采用不同密度网格划分对主梁断面进行数值模拟,并将数值模拟结果与风洞试验值进行比较,选取最合理的网格划分方法。然后,对某一大跨度桥梁跨中断面的箱梁模拟了从-5°至+5°共11个整数度风攻角工况的三分力系数。并将数值模拟结果与风洞试验进行了对比,给出了不同攻角下的压强和速度分布,验证了采用CFD技术模拟桥梁三分力系数方法的可行性与可靠性。     

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。     

圆形断面在35k～330k雷诺数范围的气动力特性研究

圆形断面是土木工程中最常见的断面形状之一,圆形断面的细长结构常发生风致大幅振动,雷诺数是影响该类断面结构气动力的重要参数之一。采用刚性模型测压风洞试验,通过气动力系数、风压分布、流动特征点和漩涡脱落频率的分析,给出索结构在雷诺数35k~330k范围内的气动力特点及其产生机理。与亚临界区相比,在临界雷诺数区,平均风压系数零点、最小平均风压系数点和分离点向尾流区移动,圆柱断面两侧流动状态不对称,平均阻力系数下降,出现非零的平均升力系数,规则的漩涡脱落消失。     

单个建筑物对平屋面风荷载的干扰效应试验研究

提出采用整体平均风压系数、第1阶振型广义力和屋面各区域最不利极值风压系数的干扰因子分别综合反映干扰效应对平屋面平均风荷载、脉动风荷载和极值风压的影响,采用刚性模型测压风洞试验,对被单个相同形体建筑所干扰的平屋面表面风压进行测量,研究改变建筑物之间的相对位置和风向角,平屋面整体平均风压系数和屋面第1阶振型广义力和最不利极值风压系数干扰因子的变化规律。研究结果表明:屋面整体平均风压系数干扰因子与第1阶振型广义力干扰因子分布规律相似;施扰物在受扰物的迎风上游,遮挡效应引起的缩小效应显著;沿与风向垂直方向,施扰物与受扰物并列布置时,放大干扰效应显著;斜风向条件下的干扰效应比0#x000b0;风向的影响范围大;干扰效应对屋面角部最不利极值风压影响显著,但对屋面中心区域的影响较小。     

临界雷诺数下带人工水线斜拉索气动性能研究

通过风洞试验,在临界雷诺数下,研究带上水线拉索模型的气动性能。测得不同风向角下拉索表面风压分布情况,得到作用在拉索模型上的气动力系数,分析临界雷诺数下拉索的气动稳定性。研究表明:基于准定常假定,在临界雷诺数下,拉索发生风雨激振的可能性较亚临界区低;上水线改变了拉索表面的流体分离并出现分离流再附现象,导致拉索气动力随上水线位置的改变而发生剧烈变化。     

湍流度对斜拉索雷诺数效应影响的试验研究

大跨度斜拉桥斜拉索为典型的风敏感结构,并且处在复杂的湍流环境中,来流湍流度对斜拉索的气动性能影响十分显著。对斜拉索模型在不同湍流度下进行风洞试验,测得斜拉索的表面压力,对比分析同一湍流度下斜拉索气动力系数随雷诺数的变化规律,以及同一雷诺数斜拉索气动力系数随湍流度的变化规律。结果表明:湍流度使得雷诺数效应提前,湍流度越大,气动参数的雷诺数效应提前的越多;湍流度增加,迎风侧脉动风压系数也会增大;雷诺数越小,不同湍流度下斜拉索的压力系数值相差越大,而在大雷诺数下,其值越接近。     

串列双幅典型断面三分力系数气动干扰效应

采用风洞试验与数值模拟相结合的方法对串列双幅典型断面（矩形断面、Π型断面及流线型断面）三分力系数和斯脱罗哈数的气动干扰效应进行了研究。首先针对宽高比为5的单幅矩形断面分别进行了三分力系数的数值模拟和风洞试验测试,数值模拟结果与风洞试验结果吻合良好;然后对串列双幅典型断面不同间距比D/B（D为双幅断面之间净间距,B为单幅断面宽度）对应的三分力系数及斯脱罗哈数进行了数值模拟。研究显示：上游断面阻力系数与单幅断面比较接近,下游断面阻力系数则随间距比D/B的增加而增加;上游断面升力系数、升力矩系数脉动根方差气动干扰因子明显小于下游断面升力系数脉动根方差气动干扰因子,两者均随间距比D/B先增加后减小。