苏通大桥三维颤振分析

基于结构有限元模型,给出了大跨度缆索承重桥梁三维颤振分析方法。该方法能够考虑静风作用、主梁附加攻角、拉索自激力和振型参与影响,同时迭代搜索侧弯、竖弯和扭转三种振动频率。采用该方法对苏通大桥进行了三维颤振分析,该方法的可靠性和实用性得到证实。结果表明:对于苏通大桥而言,不考虑静风作用和主梁附加攻角影响会高估颤振临界风速;不考虑拉索自激力作用和拉索振型参与,相当于忽略了系统气动正阻尼,会低估颤振临界风速;颤振临界风速颤振分析计算结果与风洞试验结果之间存在差异。     

2×1500m双主跨斜拉桥静风失稳机理研究

静风稳定性是千米级超大跨斜拉桥抗风性能的主要考验之一。以某主跨2×1 500 m三塔两跨斜拉桥结构体系为研究对象,采用全桥气弹模型风洞试验与数值计算相结合的方法,对失稳过程结构位移响应和与之同步的拉索索力进行跟踪,从失稳过程结构刚度演变特性方面深入揭示了该结构体系静风失稳机理。风洞试验发现,结构在+3°和0°初始风攻角下出现了明显的静风失稳前兆,静风失稳先于颤振失稳发生。基于增量与内外两重迭代相结合的非线性静风稳定分析方法,研究了结构失稳过程结构位移响应演变特性,并与风洞试验结果进行了对比,表明二者具有较好的吻合性。-3°初始攻角下的静风失稳临界风速远高于+3°和0°初始攻角。为了揭示上述现象发生的内在机理,提取与结构位移同步的拉索索力,阐述了失稳过程结构刚度与结构响应之间的同步演变关系,研究表明:结构静风稳定性取决于失稳过程结构刚度演变特性,而后者与结构响应密切相关。-3°初始攻角下主梁整体向下的竖向位移强化了拉索、主梁和桥塔形成的稳定三角关系,这是该初始攻角下静风稳定性远优于+3°和0°初始攻角的最根本原因。-3°初始攻角时,结构失稳形态表现为明显的主梁一阶正对称扭转与主梁一阶反对称扭转耦合振型失稳,与单主跨斜拉桥明显不同。研究首次在风洞试验中再现了双主跨大跨度斜拉桥静风失稳现象,并揭示了大跨度斜拉桥静风失稳内在机理,对今后我国超大跨径斜拉桥的抗风设计具有借鉴意义。     

主跨420m人行悬索桥非线性静风稳定影响参数分析

为了研究大跨度人行悬索桥非线性静风稳定相关参数的影响规律,采用内外两重迭代数值算法对一座420 m主跨人行悬索桥,进行了结构附加风攻角、来流初始风攻角、非主梁结构风荷载、抗风缆与中央扣结构措施等影响参数分析。分析结果表明:不计结构附加风攻角会放大静风失稳临界风速,由于正负不同初始攻角下静风荷载的不同发展路径,使得正攻角会恶化静风稳定性,负攻角会提高静风稳定性;非主梁结构风荷载对静风失稳临界风速影响很小,但是抗风缆风荷载对主梁静风位移影响很大,主塔风荷载对主梁静风位移影响最小;抗风缆会改变大跨人行悬索桥的静风失稳形态和大幅提高静风稳定性,对于420 m主跨量级的人行悬索桥,仅依赖中央扣措施很难使无抗风缆设计方案获得足够的静风稳定能力。     

Π型叠合梁斜拉桥建造全周期静风失稳模式及机理研究

为了研究低抗扭转刚度斜拉桥建造全周期的静风稳定特征，采用风洞试验获得施工、运营阶段±10°风攻角区间主梁静风三分力系数，结合有限元数值模拟方法，采用内、外双层迭代算法同时计入斜拉桥几何非线性和风荷载非线性，对主跨跨径为480 m的Π型钢混叠合梁斜拉桥进行了建造全周期非线性静风响应分析。追踪该桥各典型施工阶段主梁变位和拉索索力随风速的变化，以揭示低抗扭刚度斜拉桥建造运营全过程中的静风失稳模式及失稳机理。分析结果表明：随施工阶段发展，静风失稳模式多次变化；各工况下的静风失稳均是三向变位的复杂耦合行为，本桥扭转和竖向变位交替占主导地位；最大单悬臂阶段为各施工阶段中最不利的一个工况，其失稳风速仅为72 m/s且结构响应较大。扭转为主导的失稳是由于拉索系统的应力降低而引起的结构破坏，而竖向变位为主的失稳是由结构较大变位引起的整体刚度的丧失导致的。静风失稳的内在机理是结构在风载下的附加风攻角反作用于风荷载使升力和升力矩迅速变化，同时结构的非线性变形导致拉索系统应力降低和结构刚度降低使结构破坏。     

台湾后龙溪桥风洞试验研究与静风响应分析

摘 要：通过风洞试验研究了台湾后龙溪桥气动稳定性;获得了混凝土梁和钢梁两种断面发生涡振的条件、涡振锁定风速范围及涡振振幅;对自然界和风洞中的风轴和体轴异同进行了区分;实测了两种断面的静气动力系数;最后进行了非线性静风荷载响应分析。研究结果表明：实桥风速达到135m/s,不会发生气动失稳;钢梁和混凝土梁断面+3°攻角时在均匀流场中会发生竖向和扭转涡振,扭转涡振风速锁定风速很高,而且范围很宽;在紊流度约为10％风场中,攻角在-3°～+3°范围内,未观测到明显涡振;由静风荷载引起的主梁附加攻角很小,风荷载非线性对主梁扭转位移和侧向位移影响很小,而对竖向位移影响相对较大,原因是竖向风荷载引起主缆刚度改变。     

大跨人行悬索桥非线性静风稳定性分析

基于风洞试验所测加劲梁静力三分力系数,在综合考虑静风荷载非线性、结构几何非线性基础上,采用双重迭代计算分析方法对主跨420 m大跨窄人行悬索桥进行静风稳定性全过程分析。结果表明,结构变形随风速变化呈明显非线性,静风失稳形态弯曲扭转空间耦合变形特征显著;较公路桥大跨人行悬索桥主缆提供的扭转刚度比重更大,跟踪两主缆跨中应力随风速变化情况可定义静风失稳临界风速及与分析静风失稳原因;非零初始风攻角会降低静风失稳临界风速;中央扣及抗风缆均能提高静风失稳临界风速。施加中央扣措施,失稳形态为主梁结构弯扭失稳;施加抗风缆措施,失稳形态为抗风拉索、抗风缆应力松弛导致局部结构失稳。该研究可为大跨窄桥静风稳定性能及提高静风稳定性提供科学依据及参考。     

气动措施对双主跨斜拉桥静风稳定影响研究

增设风障及气动翼板等气动措施可有效改善大跨桥梁的颤振稳定性、涡振性能或者行车风环境,但同时也可能会影响其静风稳定性能。以某主跨2×1500m三塔两跨斜拉桥结构体系为研究对象,采用风洞试验与数值计算相结合的方法,对失稳过程结构位移响应和与之同步的拉索索力进行跟踪,从失稳过程结构刚度演变特性方面研究了在主梁附属设施上增设风障及气动翼板等气动措施对结构静风稳定性影响及内在机理。试验研究发现,+3°和0°初始攻角下,原始断面和翼板断面静风失稳先于颤振失稳发生。风障断面的静风稳定性能最好,原始断面次之,翼板断面最差。为了揭示增设上述气动措施对结构静风稳定性能变异的影响及内在机理,提取与结构位移同步的拉索索力进行分析,结合失稳过程结构刚度与结构响应之间的同步演变特性,分析研究表明:整个失稳过程中,风障断面跨中上游拉索应力下降最慢,原始断面次之,翼板断面最快。+3°和0°初始攻角下,高风速时翼板断面跨中下游拉索应力率先下降,原始断面次之,风障断面最后。故失稳过程中风荷载变化引起拉索力学特性演变路径的差异性是导致增设气动措施后结构静风稳定性变异的内在原因。研究揭示了增设风障及水平气动翼板等气动措施对大跨度斜拉桥静风稳定性的影响及内在机理,对今后中国超大跨径斜拉桥的抗风设计具有借鉴意义。     

大跨度缆索承重桥梁非线性静风扭转失稳机理的研究

建立了静风荷载作用下大跨度缆索承重桥梁的非线性扭转失稳模型,导出了求解平衡路径的非线性方程。对于静风扭转平衡路径的稳定性进行了全过程的理论分析。分析了升力矩系数和扭转刚度的非线性特性对于稳定条件、失稳点以及失稳机理的影响。静风扭转失稳的性质为跳跃式极值失稳。发生失稳的条件取决于升力矩系数和扭转刚度的曲线形状。只有当升力矩系数曲线有上凹段或扭转刚度曲线有下凹段存在时,扭转失稳才有可能发生。对于升力矩系数曲线不存在上凹段和扭转刚度曲线不存在下凹段时,平衡路径是稳定的,不会发生静风扭转失稳。扭转刚度的弱化是引起静风扭转失稳的因素之一。升力矩系数的非线性特性将引起等效刚度弱化,也是引起静风扭转失稳的因素之一。当初始攻角较大时,这种等效刚度弱化效应尤其应该给予重视。提出了新的失稳临界风速公式。公式统一,包含了非线性失稳及线性理论的结果;公式简洁,形式上与线性理论的公式相同。对于线性扭转刚度或线性升力矩系数的情形,临界点的物理意义明确、便于图解。新的临界风速公式还反映了初始攻角的影响。初始攻角增大,临界风速减小。     

大跨径桥梁静风稳定参数的敏感性分析

随着桥梁跨径的不断增大,桥梁结构质量越来越轻、结构刚度越来越小、结构阻尼越来越低,从而导致了对风致作用的敏感性越来越大。基于风洞试验测得的主梁静力三分力系数,在综合考虑结构几何非线性和静风荷载非线性的基础上,对大跨径悬索桥以及大跨径斜拉桥进行了静风失稳全过程分析;然后分别考察了三分力系数、初始风攻角、桥塔风荷载、缆索风荷载以及边跨风荷载等参数对大跨径缆索承重桥静风稳定性的敏感程度。     

大跨度斜拉桥气弹模型对结构静风响应的反应能力的数值研究

通过有限元方法探讨了全桥气动弹性模型主梁轴向刚度失真和主梁初内力失真的问题,以及它们对大跨度斜拉桥风致静力响应的反应能力。分析发现,两个失真因素均会较明显地导致实际结构的风致静力响应被低估,但两者对试验结果准确性的影响趋势可能相反而相互抵消。当两个失真因素同时作用时,风洞试验会低估实际结构主梁竖向风致静力位移10%左右,主梁侧向和扭转风致静力位移3%左右。由于斜拉桥风致静力失稳现象主要表现为主梁扭转发散,基于全桥气动弹性模型的风洞试验对大跨度斜拉桥风致静力响应的模拟结果在可接受的精度范围之内。     

考虑特征紊流影响的大跨桥梁静风稳定分析方法

为了研究特征紊流抖振力对大跨度桥梁静风稳定性的影响,提出了特征紊流气动力模型,建立了考虑特征紊流影响的大跨度桥梁静风稳定分析方法。通过采用风洞实测气动力系数谱模拟特征紊流气动力系数时程,利用动力有限元算法计算了西堠门大桥的位移响应,分析了特征紊流对其静风稳定的影响。结果表明:结构仅仅是在平衡位置附近作微幅振动,特征紊流对西堠门大桥静风稳定临界风速和失稳形态没有明显影响。主要是因为特征紊流是窄带的随机过程,其能量主要集中在某一个频率附近,对西堠门大桥而言,该频率远高于结构的基频,所以特征紊流气动力未能激起较大的位移响应。     

桥梁断面颤振导数的CFD全带宽识别法

由于需要在不同折算风速下重复进行大量试验或CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟,现有风洞试验和CFD方法识别桥梁断面颤振导数耗时且效率低。提出一种基于CFD离散时间气动模型,快速识别感兴趣折算风速带宽内任意折算风速下桥梁断面颤振导数的全带宽识别法。该法基于任意拉格朗-欧拉描述的有限体积法和多层网格技术,首先计算作用在桥梁断面上的非定常气动力,CFD模拟时强迫桥梁断面以单自由度竖弯或扭转方式振动,位移模式为定义在感兴趣的频率范围内的指数脉冲时间序列。然后利用得到的气动力和该指数脉冲输入,通过系统识别建立起反映桥梁断面气动力系统特性的离散时间气动模型。随后利用该气动模型仿真桥梁断面在简谐位移激励下的气动力响应,并由该模型的输入和响应通过系统识别得到桥梁断面的颤振导数。该法在竖弯和扭转方向各仅需一次CFD模拟,就可构造离散时间气动模型,使得颤振导数识别的计算量显著降低。开展了三汊矶大桥加劲梁断面颤振导数识别和颤振临界风速计算,研究结果与风洞试验的一致性,证明了方法的可靠性和高效性。     

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。     

近场竖向地震激励下桥梁支座对竖向碰撞的影响

考虑桥梁支座的作用, 针对两跨连续梁桥的竖向碰撞问题, 建立了梁-弹簧-杆连续体模型. 采用瞬态波特征函数展开法和组合体瞬态内力法, 推导了多次竖向碰撞问题的理论解, 分析了桥梁支座对竖向碰撞的影响. 研究结果表明:桥梁支座直接影响桥面与桥墩的局部碰撞接触刚度, 显著影响竖向碰撞响应, 包括碰撞次数、竖向碰撞力和碰撞位移响应等. 桥梁支座对竖向碰撞具有显著的吸能减震效果, 且影响竖向碰撞响应的基本特征, 如次碰撞出现的频次和响应的频率. 当近场竖向地震激励周期逼近桥梁的固有振动周期时, 桥面上抛跳起, 与桥梁支座产生剧烈竖向碰撞. 由于调节桥梁支座的刚度可以改变桥梁的固有振动周期, 因此, 合理设计桥梁支座对于降低竖向碰撞的破坏作用, 提高桥梁结构抵抗竖向地震的能力, 具有重要的价值.     

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。