苏通大桥桥址区实测强风非平稳风特性分析

以2012年"达维"和"海葵"台风期间苏通大桥SHMS实测风数据为研究对象,采用游程检验法对桥址区实测风速进行了平稳性检验,对比分析了基于平稳和非平稳风速模型计算得到的平均风速风向(时变)、紊流强度、紊流功率谱密度等风特性,并采用基于小波变换(WT)的演变功率谱密度(EPSD)估计方法,进行了实测强风非平稳演变功率谱分析。结果表明,实测风速表现出明显的非平稳特性;由于时变趋势项的引入,非平稳风速模型比传统平稳风速模型能更好地表征实测强风特性;所得演变功率谱密度直观地展示了实测脉动风速能量的时频分布,EPSD均值与傅里叶变换谱吻合良好,验证了EPSD估计的可靠性。研究结果可为今后非平稳风场实测分析及数值模拟提供参考。     

大跨度桥梁主梁节段模型非平稳抖振时域模拟与分析

针对台风非平稳性显著的特征,开展大跨度桥梁主梁节段模型非平稳抖振时域模拟与分析。基于准定常理论,拓展了桥梁非平稳气动力模型,并通过阶跃函数进行了非平稳自激力的时域化。在此基础上,采用谐波合成法模拟了台风非平稳脉动风场,从而进一步开展了主梁节段模型的非平稳抖振响应时域分析,并与平稳理论分析结果进行了对比。研究结果表明:非平稳气动自激力可采用二维阶跃函数法进行时域化,并通过时变平均风速反映流体记忆效应的强度;桥梁非平稳静风位移与抖振位移RMS值均明显大于平稳抖振分析结果。因此,台风作用下大跨度桥梁的抖振响应分析有必要充分考虑非平稳特征的影响。     

斜拉桥抖振动力可靠性分析

本文针对大跨度斜拉桥的特点,考虑了振型间的耦合效应,采用目标谱显式分争技术与动力增量平衡迭代算法分析大桥的抖振响应,在此基础上,采用首次超越破坏机制,考虑了大跨度斜拉桥抖振响应的动力可靠性问题,最后,以文中方法验算了某斜拉桥主梁的抗风动力可靠性。     

考虑桥塔风效应的多塔斜拉桥抖振响应分析

该文以6塔斜拉桥——嘉绍大桥为研究对象,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,研究了多塔斜拉桥主梁和桥塔在强风作用下的抖振响应特性,并详细考察了自激力和桥塔风效应对主梁和桥塔抖振响应的影响。分析结果表明:1) 主梁与桥塔的风致抖振响应与结构的振动特性联系紧密,其抖振响应由于主梁与桥塔的动力耦合作用呈现出一定的独特性;2) 考虑自激力后主梁竖向抖振响应明显减小,而对主梁横桥向和扭转抖振响应影响相对较小。同时,自激力对桥塔的横桥向抖振响应基本没有影响,但对桥塔的顺桥向抖振响应起到了明显的抑制作用;3) 桥塔风效应对主梁的竖向和扭转抖振响应以及桥塔的顺桥向抖振响应基本没有影响,但会对主梁和桥塔的横桥向抖振响应产生较大影响。     

基于斜风分解的台风韦帕作用下润扬悬索桥抖振响应现场实测研究

以遭受2007年9月韦帕台风袭击的润扬长江大桥南汉悬索桥为例,利用该桥结构健康监测系统(SHMS)中加速度传感器实时采集的数据,结合台风期间专门增设的三维超声风速仪实测数据,采用时频分析和统计方法对大跨悬索桥的风特性及抖振响应进行了现场实测研究,主要研究内容包括桥址区的强风特性分析、主梁和缆索振动响应特性分析、振动与风速的相关性、斜风分解的影响等,并将其与台风麦莎期间的实测结果进行了对比分析.研究结果可用于验证现有抖振理论分析方法的可靠性,为大跨度悬索桥的抗风设计提供参考.     

多塔斜拉桥风致抖振响应的粘滞阻尼器控制研究

以六塔斜拉桥型的嘉绍大桥为工程背景,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,在此基础上研究了采用粘滞阻尼器的多塔斜拉桥结构减振控制效果。研究结果表明:1) 多塔斜拉桥主梁和桥塔风振控制存在最大减振率,阻尼指数α愈小,最大减振率对应的阻尼系数c也愈小;2) 嘉绍大桥主梁跨中处设置刚性铰使主梁横桥向抖振响应显著增大,设置粘滞阻尼器后主梁中跨横向位移的最大减振率达到近50%;3) 嘉绍大桥采用次边塔与主梁固结的部分约束体系,使得次边塔的塔底内力明显大于其余塔的塔底内力,设置粘滞阻尼器后次边塔塔底内力的最大减振率达到近55%;4) 设置粘滞阻尼器使得多塔斜拉桥各塔和各梁跨的风振响应幅值趋于一致。因此,对于抖振响应相对较小的塔和梁跨其减振效果相对较小。     

润扬大桥桥址区实测台风非平稳特性研究

为了研究润扬大桥桥址区实测强风的非平稳特性,以"麦莎"和"卡努"台风为研究对象,采用多尺度小波变换方法提取了顺风向及横风向时变平均风速,并进一步计算了实测脉动风速的紊流强度、阵风因子、积分尺度和功率谱密度等非平稳风特性。在将非平稳风特性与平稳风特性进行对比的同时,重点对比分析了两台风非平稳风特性的异同点。结果表明:两实测台风的顺风向风速均表现出较强的非平稳性,横风向非平稳特性则相对较弱;平稳风速模型过高地估计了实测台风的紊流特性,致使其紊流强度值大于非平稳风速模型的计算结果;"麦莎"台风非平稳紊流强度顺、横风向比值大于1,而"卡努"台风的对应值小于1;两台风的实测非平稳风谱在低频段均小于Kaimal谱,在中高频段则较为吻合。     

基于Hilbert-Huang变换的大跨桥梁非线性抖振响应时频分析

以新疆赛吾迭格尔悬索桥为工程背景,研究非线性抖振响应的时频特性。提出了Fourier变换识别桥梁抖振响应的频谱的失真问题,从信号分析的角度寻找失真的原因,从结构动力学角度探讨响应非平稳性的导因。为解决这个问题,引入Hilbert-Huang变换(HHT变换)分析响应的边际谱。并分析HHT变换中经验模态分量的时频,从风工程角度探讨经验模态分量的物理意义。分析结果表明,大跨桥梁的颤抖振响应具有一定的非平稳性,HHT变换识别抖振响应的频谱时比Fourier变换精度更高。     

大跨索承桥梁流线型钢箱梁抖振响应流固耦合数值模拟EI北大核心CSCD

大跨索承桥梁抖振性能评估是桥梁抗风安全设计的重要环节。但当前抖振分析理论在揭示抖振基本物理成因时的“描述性”强于“解释性”,且风洞试验难以重现抖振过程中的流固耦合细节。对此,以苏通大桥标准主梁节段为研究对象,在Fluent软件中开展了模型抖振响应数值模拟,并将抖振响应数值解与理论解进行对比。结果表明,对高湍流度风场而言,模型风振以湍流引起的强迫振动为主,考虑流固耦合效应的抖振响应理论解与数值解的RMS较为接近,模型上、下方涡核发展交替进行,特征湍流对模型抖振响应的影响较小。     

桥塔风效应对大跨度悬索桥抖振响应的影响

以润扬长江公路大桥南汊悬索桥(润扬悬索桥)为研究对象,首先基于ANSYS建立了该桥的三维有限元计算模型,同时基于桥址区实测风特性建立了该桥考虑桥塔风效应的三维脉动风场,在此基础上进行了该桥非线性抖振响应时域分析,重点研究了桥塔风效应对大跨度悬索桥风致抖振响应的影响。研究结果表明,主塔风效应对大跨度悬索桥主梁抖振响应的影响很小。就主塔而言,其顺桥向抖振响应受桥塔风效应的影响也很小,但横桥向抖振响应在考虑桥塔风效应时显著增加,在进行抖振响应分析时不容忽视。研究结果对大跨度悬索桥的风致抖振分析具有参考价值。     

Extreme value of typhoon-induced non-stationary buffeting response of long-span bridges

This paper concerns the extreme value of typhoon-induced non-stationary buffeting response of long-span bridges. The framework of non-stationary buffeting analysis is briefly introduced first, in which the non-stationary buffeting response is regarded as the summation of a time-varying mean response and a dynamic response that can be represented by a zero-mean evolutionary Gaussian process characterized by an evolutionary power spectral density (EPSD) function. The formulas for determining approximate probabilistic characteristics of extreme non-stationary responses are then derived by extending the currently-used Poisson and Vanmarcke approximations. By comparing with the Monte Carlo solution, the extended approximations for extreme value of non-stationary responses are found reliable and accurate enough. Particularly, the extended Vanmarcke approximation can give closer results to the Monte Carlo solution than the extended Poisson approximation. The extended Vanmarcke approximation is finally applied to the Stonecutters Bridge to find the extreme value of non-stationary buffeting response of the bridge to a strong typhoon. The results show that the extreme displacement responses of the bridge from the non-stationary buffeting analysis are larger than those predicted by the conventional stationary buffeting analysis, and therefore the non-stationary buffeting analysis is necessary.     

三塔斜拉桥抖振的耦合行为研究

三塔斜拉桥较为柔性,振动模态较为密集,对风更为敏感。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景,基于多模态耦合振动分析理论,对三塔斜拉桥抖振的耦合性能进行了研究。分别采用多模态耦合抖振分析方法和非耦合的单模态SRSS(Square Root of Sum of Squares)方法对结构在设计风速下的抖振响应进行了分析,将两种分析方法所得抖振响应的均方根及功率谱密度函数进行比较。为明确模态间的耦合关系,进一步分析了结构抖振响应随参与分析模态数的变化情况。分析结果表明:三塔斜拉桥抖振响应存在明显的多模态耦合效应,模态间的耦合作用将增大结构的抖振响应。对于大跨度桥梁的精细化分析,抖振的耦合行为不容忽视。     

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。     

大跨斜拉桥的侧向弯曲抖振及其控制

采用被动控制的传递函数算法，分析了被动调质阻尼器（ＴＭＤ）对长大跨径斜拉桥在悬臂施工和运营状态下的侧向弯曲抖振的控制效率；定义了有效控制域；给出了ＴＭＤ参数的计算公式。分析表明：被动ＴＭＤ对侧向弯曲抖振是一种有效的机械控制手段。     

斜风作用下大跨度斜拉桥双悬臂状态抖振性能

通过气弹模型风洞试验对斜风作用下湛江海湾大桥施工阶段最长双悬臂状态的抖振性能进行了研究,结果显示:对于大跨度斜拉桥梁抖振响应法向风不一定是最不利的情况;抖振响应随风偏角呈非单调变化,最大值可能在0°~15°风偏角范围内发生;抖振响应随风速的增加近似地按两次曲线增加,并且基本固有模态对抖振响应的贡献占到了主要成份;最长双悬臂状态塔顶纵向抖振响应显著地大于裸塔塔顶纵向抖振响应,而两者随风偏角的变化形态也互不相同。试验和分析结果的比较表明,只要解决好诸如气动导纳等气动参数的取值问题,可以对大跨度桥梁抖振响应作出合理的理论预测。     

响应谱MC模拟的桥梁抖振首次超越研究

在桥梁耦合抖振谱分析的基础上,采用谐波合成技术,依据Monte Carlo思想大量模拟位移谱时程,由此便可以方便、快捷地计算桥梁抖振响应首次超越失效概率,克服传统Monte Carlo方法时域内再现桥梁抖振首次超越小失效概率事件效率偏低的问题。采用江阴长江大桥和上海杨浦大桥作为算例,比较了抖振首次超越响应谱Monte Carlo模拟结果与目前广泛使用的基于Poisson、Poisson包络、Markov过程三种假定的近似解析算法结果差异,表明由于考虑大气紊流环境下桥梁抖振背景分量,在较高阈值情况下,近似解析算法不再适用,而本文方法具有更高的精度。     

竖向荷载作用下飘浮体系斜拉桥极限承载能力与失效模式分析

提出采用塑性极限分析法研究竖向荷载作用下大跨飘浮体系斜拉桥的极限承载力和失效模式。基于塑性极限分析的相关假定并结合基本机构证明了该方法应用于斜拉桥失效分析的可行性,结合飘浮体系单塔斜拉桥推导了极限承载力计算公式并分析对应的失效模式,通过优化方法-内点法获得斜拉桥塑性极限荷载及其对应失效模式,并与OpenSEES有限元分析结果进行了对比分析。结果表明:竖向荷载作用下,主梁在拉索屈服强度较小时为整体性破坏,反之则为局部性破坏;相比拉索而言,主梁屈服强度对斜拉桥破坏的影响则正相反;拉索锈蚀在降低斜拉桥极限载荷系数的同时也改变其倒塌失效模式;相比于有限元法,塑性极限分析法简便且易操作,可用于研究竖向荷载作用下飘浮体系斜拉桥的极限承载能力与失效模式,且能够快速有效评估结构参数变化对其失效行为的影响。     

铁路正交异性桥面加劲肋-横隔板局部疲劳受力特性研究

正交异性钢桥面因整体性好、承载力强等优势在铁路大跨度桁梁及箱梁斜拉桥、拱桥等桥型中应用越来越广泛,其疲劳特性与公路桥面具有显著的差异。针对铁路正交异性钢桥面加劲肋与横隔板连接处的疲劳敏感区,通过弹性支撑梁理论及闭口薄壁杆件理论分析其局部受力特征,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式中各疲劳影响因素的影响程度及作用机理。基于甬江特大桥——大跨度铁路斜拉桥的钢箱梁正交异性桥面设计了包含2个U肋及2个V肋的正交异性桥面疲劳试验模型,并进行了560万次疲劳加载。研究结果表明:解析公式与有限元分析、试验测试结果相符良好;试验模型测试结果能准确反映疲劳敏感点的应力情况,解析理论则能够反映疲劳敏感点应力的影响因素与规律;在铁路荷载下,加劲肋与横隔板的焊缝长度和加劲肋腹板倾角的增大能够有效降低加劲肋的疲劳应力幅;在铁路正交异性钢桥面板中面积相近、抗弯刚度相等的V肋比U肋具有更好的抗疲劳工作性能。