基于CFD和风洞试验的钢桁梁悬索桥颤振稳定性分析#br#

为探究复杂山区超大跨钢桁梁悬索桥颤振稳定性，分别通过CFD数值模拟计算和风洞试验测试其颤振临界风速。首先基于山区某悬索桥场地特征计算其风参数，并结合ANSYS计算其关键振型及频率。其次基于CFD数值模拟，采用气动导数和流固耦合两种计算模式探究悬索桥主梁原始断面和气动优化后的颤振临界风速。最后对悬索桥主梁断面进行风洞试验，并将计算结果与CFD计算结果做对比分析。研究表明：桥位基本风速U10＝28.0 m/s，设计基准风速Ud＝37.20 m/s；CFD计算时，风攻角为0°、+3°与+5°时，原始断面颤振临界风速小于颤振检验风速，气动优化(设置上中央稳定板)后的断面颤振临界风速明显高于颤振检验风速；风洞试验结果表明主梁原断面在+3°风攻角颤振临界风速小于颤振检验风速；气动优化后，各风攻角下主桥结构颤振临界风速均大于该桥颤振检验风速，颤振稳定性满足规范要求。     

基于CFD和风洞试验的钢桁梁悬索桥颤振稳定性分析#br#

为探究复杂山区超大跨钢桁梁悬索桥颤振稳定性，分别通过CFD数值模拟计算和风洞试验测试其颤振临界风速。首先基于山区某悬索桥场地特征计算其风参数，并结合ANSYS计算其关键振型及频率。其次基于CFD数值模拟，采用气动导数和流固耦合两种计算模式探究悬索桥主梁原始断面和气动优化后的颤振临界风速。最后对悬索桥主梁断面进行风洞试验，并将计算结果与CFD计算结果做对比分析。研究表明：桥位基本风速U10＝28.0 m/s，设计基准风速Ud＝37.20 m/s；CFD计算时，风攻角为0°、+3°与+5°时，原始断面颤振临界风速小于颤振检验风速，气动优化(设置上中央稳定板)后的断面颤振临界风速明显高于颤振检验风速；风洞试验结果表明主梁原断面在+3°风攻角颤振临界风速小于颤振检验风速；气动优化后，各风攻角下主桥结构颤振临界风速均大于该桥颤振检验风速，颤振稳定性满足规范要求。     

大跨度桥梁PK箱梁断面颤振性能研究

以某主跨820 m PK箱梁斜拉桥为背景,借助节段模型风洞试验并结合二维三自由度颤振分析理论方法(2D-3DOF method),进行了大跨度桥梁PK箱梁断面成桥状态颤振性能研究,提出了"软颤振"临界风速扭转响应根方差、峰值因子和阻尼比综合判定标准,并对三种尺寸抑流板颤振控制效果与驱动机理进行探索。研究表明,PK箱梁断面成桥状态具有明显的"软颤振"特点,而且风攻角效应明显,特别是0~°和+3~°颤振临界风速差异显著,主要是由于0~°攻角表现为"弯扭耦合颤振",+3~°攻角为"单自由度扭转颤振",两者气动阻尼变化规律差异明显而表现出不同的颤振特点;抑流板能有效提高PK箱梁断面+3~°攻角的颤振临界风速,其增加了颤振耦合程度,虽然会激起更多的不利耦合气动阻尼,但是扭转运动自身产生的气动阻尼对系统的稳定作用也增强,气动阻尼之间的竞争将决定系统最终的发散。     

双层桥面桁架梁三塔悬索桥颤振性能优化风洞试验

双层桥面桁架梁气动性能复杂,已有研究较为少见。以某双层桥面桁架三塔悬索桥设计方案为背景,通过节段模型风洞试验,研究了栏杆透风率与高度、双层桥面板中央开槽、中央稳定板等多种气动措施对颤振临界风速的影响。结果表明:该桥原始断面在-3°、0°、+3°三种风攻角下,颤振临界风速均小于颤振检验风速,存在发生颤振失稳的可能性;中央稳定板的高度对颤振临界风速影响较大,上层桥面设置上中央稳定板能提高桥梁的颤振临界风速;上、下双层桥面板均中央开槽能够显著提高0°风攻角下的颤振临界风速,但使正攻角下的颤振临界风速有所降低;采用上、下双层桥面板中央开槽、合理地设置中央稳定板和改变栏杆透风率等气动综合措施,能使该桥在各攻角情况下的颤振临界风速满足要求。     

附加攻角效应对颤振稳定性能影响

用强迫振动装置识别攻角从-3°~+4°细化步长变化为1°的洞庭湖二桥主梁断面气动导数;将该气动导数拟合成折减风速、攻角的三维曲面,只需获取某一有效攻角的具体数值即可自动求得所有气动导数值。通过在ANSYS中的三维TABLE表存储各攻角的气动导数,自动计入附加攻角对颤振稳定性影响。全模态颤振分析结果表明,附加攻角效应可降低该类桥梁的颤振临界风速。若按常规试验方法以3°攻角为步长进行气动导数插值计算,颤振分析有可能得到错误结论。     

钢-砼叠合边主梁斜拉桥稳定板气动措施研究

钢-砼叠合边主梁断面广泛应用于大跨径斜拉桥中,但该断面形式容易产生大幅涡激共振,颤振风速也较低,应用于沿海地区桥梁常常需要附加抑振气动措施。基于两座实际的斜拉桥工程方案,通过节段模型风洞试验,对稳定板气动措施的抑振效果进行了研究。结果表明,通过合理布置稳定板这类气动措施可以有效抑制边主梁断面涡激共振的发生,并且可以改善颤振性能,提高颤振临界风速。     

双开槽箱梁断面悬索桥的抗风性能及气动措施研究

为研究双开槽箱梁断面桥梁的抗风性能,并提出合理的颤振和涡振气动控制措施,本文以拟建的某钢箱梁悬索桥为研究对象,开展了一系列节段模型风洞试验,并结合二维三自由度方法和CFD数值模拟分别分析了不同措施下颤振和涡振机理的改变。研究表明:相比于单箱梁断面,双开槽断面能有效的改善颤振性能;防撞栏杆基座的有无,对该类桥的颤振临界风速影响显著;中央稳定板作为改善颤振稳定性的常用手段,对提高双开槽断面颤振临界风速同样适用,且在一定范围内,临界风速与稳定板高度正相关;二维三自由度分析结果显示,中央稳定板和较优形式的栏杆均能减缓气动阻尼随风速的变化趋势。针对开槽引起涡振的问题,尝试采用各种控制措施,试验证明,均匀间隔的纵向格栅能有效的抑制涡振。结合CFD模拟,其根本原因为纵向格栅明显改变了流场绕流特性,阻碍了大规模涡脱的形成。     

串列双幅断面颤振稳定性气动干扰试验研究

针对大跨双幅桥面桥梁气动干扰效应问题,采用风洞试验方法,在均匀流场、零度风攻角条件下研究了不同间距比时串列双幅典型断面(矩形断面、Π型断面及流线型断面)的颤振稳定性气动干扰效应。研究表明:串列双幅典型断面发生颤振失稳时,下游断面先失稳,上游断面后失稳;串列双幅钝体断面(矩形断面、Π型断面),当间距比D/B为0.2,0.5(D为串列双幅断面净间距,B为单幅断面宽度)时,串列双幅钝体断面颤振临界风速低于单幅钝体断面颤振临界风速;当D/B为1,2,4,6时,串列双幅钝体断面颤振临界风速高于单幅钝体断面颤振临界风速;串列双幅流线型断面颤振临界风速随间距比D/B增加而增加,在试验间距比范围内(D/B的值为0.3,0.6,1,2,4,5)均小于单幅流线型断面颤振临界风速,气动干扰效应降低了双幅流线型断面颤振临界风速。     

π型加劲梁软颤振特性及下稳定板的影响研究EI北大核心CSCD

基于数值模拟方法研究了π型加劲梁的软颤振特性及下稳定板对其的影响。通过对比风洞试验的颤振临界风速验证数值方法的可靠性,分析了加劲梁的软颤振特性及1/4下稳定板的作用效果,探讨了π型加劲梁的软颤振机理及1/4下稳定板的影响机理。结果表明:该π型加劲梁具有明显的软颤振现象,且负攻角下的软颤振特性更为显著;某一风速下,振动系统的总能量先增大后保持稳定,而增设1/4下稳定板能减小振动总能量值,显著提升π型加劲梁的颤振临界风速,降低软颤振的振幅;π型加劲梁无下稳定板设计断面旋涡的发展和脱落产生的升力矩方向与主梁运动方向相同,促进扭转振动发散,而增设1/4下稳定板削弱了上表面旋涡的尺度,并在下表面形成了稳定的负压区,减弱了气动力对扭转振动的促进作用,降低了扭转振幅。     

基于风洞试验的大跨度钢桁梁悬索桥颤振性能研究

目前研究大跨度桥梁颤振性能的主要手段是节段模型风洞试验,而如何利用试验结果对桥梁主梁断面进行优化还没有得到彻底解决。以某大跨度钢桁梁悬索桥为工程背景,给出了桥梁设计基准风速的计算方法和结果。进行1∶48比例节段模型颤振振动试验,得出了主梁在各个攻角下的颤振临界风速。在最不利工况下,试验了下中央稳定板、上中央稳定板和水平稳定板对主梁颤振性能的影响,最后根据试验结果,在考虑安全、经济和美观等因素的条件下,选择最优气动方案,满足了桥梁抗风设计的要求。最后用1∶100比例全桥气弹模型试验验证了节段模型试验结果的可靠性。同时总结了大跨钢桁梁悬索桥颤振折算风速值一般位于数值4左右的规律,为今后类似钢桁梁悬索桥的颤振性能研究提供了借鉴和参考。     

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。     

桥梁主梁端部翼板颤振主动控制流固耦合计算

安装主动控制翼板是提高大跨度桥梁颤振稳定性的一种有效方法。运用流固耦合技术对桥梁颤振主动控制进行计算分析,可以考虑气动翼板的大幅度扭转以及气动翼板和主梁端部的气动干扰效应。通过对商用软件FLUENT二次开发,建立了竖弯和扭转流固耦合数值仿真计算模型,并对主梁端部安装了主动控制翼板的大海带桥的颤振稳定性进行了数值仿真计算分析。系统地研究了前后翼板相对于主梁的角速度对颤振性能的影响。数值仿真计算结果表明:没有采用主动控制翼板时,颤振临界风速计算值和风洞实验值吻合良好。采用主动控制翼板后,当前翼板角速度与主梁反向,后翼板角速度与主梁同向时控制效果良好。且随着气动翼板角速度增大,主梁扭转位移减小。旋涡脱落图表明:作用在翼板的流场和作用在主梁的流场相互干扰,因此作用在整个系统上的力矩变化不仅来源于气动翼板的力矩,而且来源于流场形态的改变。计算表明在上述良好的控制时,气动翼板提供反向力矩,且与作用在主梁上的力矩相位相反,最大限度地平衡了作用在主梁上的力矩,使作用在主梁系统上的力矩均值减小,这是主动控制翼板提高桥梁颤振稳定性的原因之一。最后研究了气动翼板合适长度,计算表明:当气动翼板长度为主梁宽度的10%~15%时,颤振主动控制效果较好。     

风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响研究

为探究风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响,以某公铁两用桁架桥为背景,在XNJD-1号风洞中进行了1∶47.48的缩尺比节段模型试验,测试了无风屏障和设置不同风屏障方案时,车桥系统中车辆及桥梁各自的气动力系数、主梁的颤振临界风速以及主梁的涡振响应。结果表明:大跨度桥梁风屏障增加了车桥系统中主梁的阻力系数,降低了主梁的升力系数、车辆的阻力系数及升力系数。设置风屏障使主梁的颤振临界风速降低明显。风屏障在一定程度上可用作抑制主梁涡振的气动措施。     

非对称П型梁和流线型箱梁气动性能风洞试验研究

为了研究非对称人行道对主梁气动性能的影响,利用节段模型风洞试验,分别研究了非对称П型梁和流线型箱梁在不同来流风向下的三分力系数、涡振以及颤振特性。试验结果表明:在正攻角范围内,0°来流风向下(人行道板一侧的来流方向)两种类型主梁的三分力系数均大于180°来流风向值,且非对称人行道对П型梁三分力系数的影响比流线型箱梁显著;断面的非对称性会严重影响不同来流风向下П型梁的涡振性能,包括出现涡振的风攻角、涡振响应振幅、起振风速以及锁定区间等。从空气动力学角度分析,人行道板的存在使0°风向来流提前发生分离,再附点发生改变,涡激力减弱,进而改善了主梁在该来流风向的涡振性能。0°来流风向下两种类型非对称主梁的颤振临界风速均高于180°来流风向值。颤振导数结果显示非对称人行道板和栏杆可提供一定的扭转气动正阻尼,因此0°来流风向主梁的颤振临界风速较高。     

钝体分离式双箱梁涡振优化措施研究

随着桥梁跨径不断增大,桥梁结构的抗风性能越来越关键。分体箱梁具有优越的颤振稳定性,故在桥梁建设中具有广阔的应用前景,但其涡振现象较明显。目前针对分离式双箱梁断面的涡振优化研究较多,但都是以流线型较好或高宽比较小的箱梁为研究对象,对钝体断面的研究较少。以某钝体分离式双箱梁桥为研究对象,通过风洞试验研究了导流板、分流板、风嘴等不同气动优化措施对主梁断面涡振性能的影响,并确定出优化性能最佳的措施。研究结果表明:风嘴措施对钝体分离式双箱梁的竖向涡振以及扭转涡振均具有较好的抑制效果;且风嘴角度越小,抑振效果越好。     

下稳定板形式对兴康特大桥颤振性能的影响

雅康高速泸定大渡河兴康特大桥跨越干热河谷区深大峡谷,其桥面中央设置了竖向稳定板以提高结构在复杂风环境下的颤振稳定性。对于钢桁加劲梁而言,下稳定板的布置形式具有一定的可变性,为了进一步优化下稳定板的抑振效果,研究了不同形式的下稳定板对该桥颤振性能的影响。首先,通过风洞试验测试了不同位置的单稳定板及不同形式的分离式稳定板对颤振临界风速的影响。然后,建立简化的二维CFD模型,通过气动力输入能量的大小及流场的变化规律对相应的气动机理进行了解释。研究结果表明:设置稳定板后,各个攻角下的颤振临界风速均得到不同的提高,尤其是在负攻角下。当负攻角的绝对值较大时,扭转运动的不稳定性成为了颤振发生的主要原因,稳定板通过阻碍漩涡移动、改变漩涡大小和增大迎风侧桥面板下侧负压区强度的方式提高扭转稳定性,因此,将中央稳定板设置为分离式竖向稳定板的效果更好。     

边主梁叠合梁涡振性能气动优化措施风洞试验研究

以某大跨双边主梁钢混叠合梁斜拉桥为工程背景,通过风洞试验研究钝体主梁断面的涡振性能并提出合理的气动优化措施。试验发现边主梁叠合梁开口截面主梁在低风速下容易发生涡激共振,且随攻角由正变负涡振性能愈发不利。气动措施优化结果表明边主梁底部设置外侧设置水平稳定板比在内侧设置水平稳定板效果明显。而梁底竖向稳定板对竖向涡振起到一定抑制作用,但是却导致扭转涡振加剧;检修道栏杆顶部抑流板的制涡效果优于在梁底设置水平稳定板,说明主梁断面上部构造对其涡振性能影响更显著。而在边主梁两侧设置风嘴,其制涡效果最好,涡振幅值抑制率达80%。     

带高防抛网边主梁斜拉桥气动性能试验研究EI北大核心CSCD

为研究带高防抛网边主梁斜拉桥的气动稳定性能,以某跨铁路站场边主梁斜拉桥为工程背景,通过节段模型及气弹模型风洞试验综合研究了带高防抛网边主梁斜拉桥的气动稳定性能,并确定了其合理的气动优化措施。利用1∶50比例节段模型风洞试验,测试了各个攻角下主梁的风振响应;在低紊流度流场条件下,通过改变防抛网透风率,对主梁的涡振性能进行优化。设计并制作1∶100比例气弹模型,在不同地表风场类型中进行了风洞试验测试,研究了不同攻角及偏角下全桥气弹模型的涡振性能。风洞试验结果表明:均匀流场中,设置60%透风率的防抛网的节段模型与气弹模型,在最不利3°攻角下,仍发生超过规范限值的竖向涡振。节段模型试验中,在5%紊流风场条件下,主梁断面设置60%透风率的防抛网可以有效抑制涡振,且考虑三维效应的全桥气弹模型与节段模型试验结果相同,无涡振现象发生。     

外置纵向排水管对扁平钢箱梁涡振性能的影响及气动控制措施研究

为研究外置纵向排水管对扁平箱梁涡振性能的影响,以某大跨度扁平钢箱梁悬索桥为工程背景,采用1∶50节段模型风洞试验,分别对有无外置纵向排水管的扁平箱梁涡振性能进行研究。试验结果表明：原设计扁平箱梁在0°与±3°风攻角下均发生显著涡激振动,通过在检修车轨道处设置内侧导流以及将外侧防撞栏杆隔二封一可以有效抑制断面涡振振幅至规范限值以下,但沿桥纵向设置外置排水管会显著降低主梁涡振性能,并使原有效涡振制振措施失效。通过计算流体动力学对主梁断面二维流场的模拟结果表明,外置纵向排水管会同时改变扁平箱梁断面下表面迎风侧与背风侧斜腹板处的旋涡脱落形态,在此基础上,通过在外置纵向排水管处增设导流板与水平稳定板用以改善该处的气体绕流形态,并据此提出了一种水平稳定板、导流板与间隔封闭栏杆共同作用的组合气动措施。试验结果表明,该组合措施能够显著抑制主梁的涡激振动,同时数值模拟结果表明,能够显著减弱斜腹板处的旋涡脱落现象,从而降低主梁受到的周期性涡激力,是该组合气动措施能够抑制梁体涡激振动的主要原因。     

2300m超大跨度扁平钢箱梁悬索桥颤振稳定性优化研究EI北大核心CSCD

张皋过江通道南航道桥作为张皋过江通道的控制性工程,主桥采用主跨为2300 m的悬索桥设计,主梁采用扁平钢箱梁设计(宽度达51.7 m),跨中桥面距离海平面高度达77 m,具有桥梁跨度大、主梁宽度大、桥面高等特点。以上特性均导致了该桥对风的作用极为敏感,颤振设计面临着前所未有的挑战。研究表明该桥原设计断面无法达到颤振设计要求,就如何提高该类2000 m级整体钢箱梁悬索桥的颤振稳定性,采用1∶50节段模型风洞试验进行了研究。试验结果表明,上中央稳定板、下中央稳定板、水平稳定板以及改变人行道板倾角等传统气动措施已无法满足该类超大跨度桥梁的颤振设计需求,但在设置上、下中央稳定板的基础上,在人行道板端部设置斜45°导流板可显著提高该桥在各风攻角下的颤振临界风速至满足颤振设计要求,并通过1∶196全桥气弹模型风洞试验对该组合气动措施的有效性进行了验证。研究成果对采用整体箱梁的2000 m级超大跨度悬索桥颤振设计具有重要的参考意义。