桥面中央开口悬索桥涡激共振与制涡试验研究

摘 要: 本文研究了中央开口断面悬索桥涡振及其控制风洞试验。考虑了模型涡振幅值和和实桥涡振幅值之间换算的修正系数,风洞试验表明中央开口是导致该种断面形式涡激振动发生的主要原因。所设计的两种制涡方案都能达到控制涡振的目的,在不改变断面形式等因素的前提下,本文设计的制涡方案二能有效控制涡振,符合工程实际要求。同时试验也表明,阻尼能大幅降低涡振幅值。
     

基于尾流振子模型的桥梁节段至实桥涡激共振振幅转换关系

该文基于一种用于涡振模拟的两自由度经验模型（尾流振子模型）推导了桥梁节段至实桥涡振振幅转换关系。首先介绍了尾流振子模型的形式及其特点,其次从展向全相关及展向不完全相关两方面推导了节段至实桥涡振振幅转换关系,最后结合实际桥梁对上述过程进行了算例验证,并与现场实测结果进行了比较。研究表明:当不考虑涡激力展向相关性影响时,节段至实桥涡振振幅只与结构振型函数有关,尾流振子模型得到的转换关系与传统经验非线性模型得到的转换关系相同;当考虑涡激力展向相关性时,计算得到的实桥涡振振幅可能小于节段模型结果,涡激力展向全相关条件下得到的计算结果与现场实测结果更接近。因此,当缺少精确的涡激力展向相干函数时,假定涡激力展向全相关计算得到的实桥涡振振幅可能更为可靠。     

护栏位置对流线型箱梁涡激振动的影响及作用机理

涡激振动(vortex induced vibration, VIV)是大跨度桥梁常发生的一种振动，易造成结构疲劳破坏，掌握主梁外形对涡激振动的影响十分必要。为了研究不同位置桥侧护栏对闭口流线型箱梁涡激振动特性的影响及作用机理，通过节段模型风洞试验，分别研究了桥侧护栏位置下主梁的涡激振动响应、风压分布、升力系数、气动力相位差及涡激振动贡献系数。研究结果表明，迎风侧护栏内移有利于抑制竖弯涡激振动，但背风侧护栏内移会略微增大涡激振动响应。迎风侧护栏内移会降低主梁升力绝对值，增加气动力相位差的离散性，也降低各位置的涡激振动贡献系数，这被认为是涡激振动被抑制的原因。     

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。     

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。     

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。     

大跨度变截面连续钢箱梁桥涡激振动线性分析法

涡激力沿主梁跨向具有偏相关性,基于Scanlan涡激力经验线性模型,假定涡激振动风速下,整个梁段涡脱频率锁定,提出适用于变截面连续梁桥的三维涡激力经验线性模型,从而建立节段模型与变截面梁实桥之间涡激振动幅值之间的关系。通过变截面梁几个典型位置截面的节段模型风洞试验,获得描述整个变截面主梁三维涡激力经验线性模型等效参数,实现对整个变截面连续梁桥涡激振动响应的评估。并通过某典型的三跨变截面连续钢箱梁桥涡激振动风洞试验,验证了理论的有效性。     

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。     

悬浮隧道锚索流固耦合振动试验研究

悬浮隧道跨越长深水域的新型交通结构物。在水流的作用下,锚索将会发生涡激振动,以往的研究主要采用数值方法,而进行模型试验研究是探索悬浮隧道锚索涡激振动机理不可或缺的研究手段之一。本文利用风浪流多功能水槽,以千岛湖悬浮隧道锚索为原型,采用节段模型试验的方法,进行了均匀流作用下锚索涡激振动试验研究。通过试验发现,圆形锚索的Cm值约为0.94,线性流体阻尼比ξ’约为1.26%;锚索在约化速度U/fnD =5.8~10.1发生涡激锁定现象,产生涡激共振,此时横向振幅约化值（Ay/D）最大达到1.10,顺流向振动依旧较小,而升力系数CL和拖曳力系数CD均会显著的增大;参数分析发现,圆形锚索倾斜布置有利于降低涡激共振的不利影响,但当来流角度的变化后会对倾斜布置的锚索产生不利影响。     

并列双钝体箱梁间距对涡激共振特性的影响

首先通过节段模型风洞试验测试了并列双幅钝体箱梁在10个不同间距(双幅箱梁的净间距D与单幅箱梁宽B之比D/B的变化范围为0.2～4.0)时的涡激共振振幅与风速锁定区间,并与单幅钝体箱梁的的涡激共振振幅与风速锁定区间进行了对比,研究了对并列双幅钝体箱梁的间距对涡激共振特性的影响。然后基于CFD数值计算结果,从流场的角度对涡激共振特性的影响机理进行了分析。研究结果表明:下游箱梁对上游箱梁涡激共振的影响在0.2≤D/B≤2.0时表现为一定的放大效应,在D/B≥2.5时基本可以忽略;上游箱梁对下游箱梁涡激共振的影响表现为明显的放大效应,这种放大效应在D/B=0.8时最显著,即使当D/B=4.0时仍不可忽略。     

有偏心桥梁断面气动导数识别的分段扩阶最小二乘迭代法

应用拉格朗日方程,建立了风洞中弹性悬挂的二自由度桥梁节段模型质心的竖向和扭转运动方程,所建立的数学模型考虑了无风时竖向阻尼力中心和弹性中心与质心的偏心。提出了利用节段模型风洞试验的自由振动信号直接识别系统矩阵的分段扩阶最小二乘迭代算法(SEO-ILS法)。给出了无风时偏心节段模型物理参数及模态参数的识别方法,并用于无偏心平板模型和有偏心桥梁节段模型的气动导数识别。风洞试验表明,方法有效可行。     

基于节段模型测振试验的大跨度桥梁抖振响应预测

传统大跨度桥梁抖振响应计算是基于颤抖振理论,并借助节段模型测压或测力试验进行,目前鲜有通过节段模型测振试验实现桥梁抖振响应预测的报道。基于抖振分析理论推导了考虑三维效应的两波数抖振力,并根据综合传递函数的概念提出了基于节段模型测振试验的大跨度桥梁抖振响应预测方法。以某流线型箱梁悬索桥为例,通过节段模型及全桥气弹模型试验研究了该预测方法的精度及可行性。结果表明:结构展宽比对综合传递函数识别精度存在影响,展宽比越大,识别精度越高。即使在湍流积分尺度并未远大于结构宽度的前提下,增大模型展宽比可有效减弱三维效应的影响。基于节段模型测振试验识别综合传递函数的方法可用于大跨度桥梁抖振响应的预测,该方法预测结果偏于保守。     

旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。     

桥梁颤振导数自由振动识别的分段扩阶最小二乘迭代算法

研究了利用节段模型风洞试验的自由振动信号直接识别系统矩阵的时域法。在可识别性研究的基础上，给出了最小二乘一次完成算法、倒置时序算法、分段识别算法和分段扩阶最小二乘迭代算法（SEO-ILS法）。随后SEO-ILS法用于桥梁颤振导数识别：先直接识别出系统矩阵，在识别出二自由度节段模型各不同风速下的等效刚度和等效阻尼矩阵后，即可同时提取8个颤振导数。风洞试验表明，文中方法有效可行。     

新型斜拉桥与摩天轮复合结构流场数值模拟与风洞试验研究

为研究天津慈海桥的压强分布系数,建立了新型斜拉桥与摩天轮复合结构有限元模型,采用了RANS的RNGk-ε模型作为慈海桥进行数值分析的湍流模型,采用非平衡壁面函数模拟壁面附近复杂的流动现象。运用数值风洞法对斜拉桥部分周围流场进行数值模拟,得到斜拉桥周围流场的速度分布和斜拉桥表面的压强系数。通过风洞试验进行测量,介绍了风洞试验的风洞和试验模型,得出了32个测点不同方向的压强系数。把其中具有代表性的测点数值风洞理论值与风洞试验结果进行比较分析,结果对比说明:理论与试验数据一致,所得到的压强分布系数可以用于工程实际。同时证明该文所采用的数值模拟方法来预测斜拉桥表面的平均压强分布情况可以推广应用。     

Stochastic aspects of bridge deck aeroelasticity under turbulent flow

Returning to an earlier frequency-domain analysis of the problem of long-span bridge response to ambient winds, the paper emphasizes the indispensable experimental information necessary to bring results into conformity with full-scale prototype action. Focus is placed upon the use of a sectional wind tunnel model under simulated turbulent flow as the prime source of this information, which consists principally of the flutter derivatives and the spectra of the wind forces, both obtained under turbulent flow. The effect of three-dimensional turbulence upon the flutter derivatives is observed to influence structural stability in a manner consistent with that observed in full-bridge wind tunnel models.     

考虑强度和刚度退化及捏拢效应的钢筋混凝土桥墩滞回模型及其参数识别

为了有效地模拟强震作用下桥梁结构的非线性地震反应,需要确定钢筋混凝土（RC）桥墩非线性力-位移滞回关系。基于Bouc-Wen模型,给出了一种考虑RC桥墩强度和刚度退化以及捏拢效应的改进非线性滞回模型,确定了影响该滞回模型的控制参数,并在Matlab/Simulink里实现对RC桥墩各种破坏模式非线性滞回性能预测。同时,通过对1/3比尺的RC桥墩分别在压弯、扭转和弯剪作用下的往复荷载试验研究,试验得到的力-位移关系滞回曲线与本文提出的改进滞回模型预测结果吻合较好,验证了本文提出改进模型的正确性和有效性。并采用汶川地震波对绵州市回澜立交桥匝道桥的RC桥墩的滞后性能进行了数值模拟,分析结果和桥墩的震害一致,证实了采用本文提出的改进滞回模型可以较准确的预测RC桥墩在强震作用下的非线性滞后性能。在此基础上,运用无迹卡尔曼（UKF）方法对Bouc-Wen模型进行参数估计,模拟结果和误差分析表明,该方法能够精确的估计出改进的Bouc-Wen模型的参数。