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。     

大跨度公铁两用双层钢桁桥涡激振动控制研究

桥梁的涡激振动主要受到主梁断面的气动外形、结构动力特性与来流特性的影响,而大跨桥梁是典型的风致敏感结构,所以在大跨度桥梁的设计中应当引起重视。以某大跨度公铁两用双层板桁组合桁架桥为背景,在XNJD-1回流串联风洞中进行了风洞试验,研究了该主梁的涡激振动现象。通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟分析了其主梁断面的涡激振动机理,并且将展向周期摄动法应用于钢桁梁的涡激振动控制,采取了一系列气动控制措施来抑制主梁的涡激振动,其中L型分流板与波浪形风嘴完全抑制了主梁的涡激振动。还通过风洞试验研究了波浪形风嘴的几何参数对抑振效果的影响,试验结果表明,波浪形风嘴的抑振效果对幅值变化比较敏感,增大幅值可以有效抑制主梁的涡激振动。     

基于可靠度理论的桥梁涡激振动概率性评价

涡激共振是大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动,涉及的不确定因素众多,利用可靠度理论对这类风致振动进行安全估算是大跨度桥梁风振研究的趋势。探讨了桥梁涡振的三种失效模式,包括基于涡振风速的失效模式、基于涡振振幅的失效模式和基于前两种失效模式交集的涡振刚度失效模式,基于此,以某座大跨度桥梁为例,应用二次四阶矩法计算了基于涡振振幅的失效概率,并与二次二阶矩法的计算结果进行了比较,用Monte Carlo模拟法(MC)进行了验证,发现基于二次四阶矩法的可靠度分析相对于二次二阶矩法具有较高的精度。然后,基于二次四阶矩法的计算结果得到了桥梁涡振刚度失效的概率,研究表明:单独考虑桥梁涡振发生风速或涡振振幅的失效概率偏于保守,应结合起来考虑。     

大跨度桥梁涡激振动研究进展与展望

首先较为全面地阐述了采用理论分析、风洞试验、现场实测和数值模拟四种方法研究大跨度桥梁涡激振动的主要成果;然后分析了影响涡激振动的主要因素,细致总结了主梁、桥塔、缆索和拱肋等主要构件涡激振动特点;介绍了各种抑振措施,以提高涡激振动起振风速和限制涡激振动振幅;最后对大跨度桥梁涡激振动研究的现状进行了总结,并对今后的研究重点和发展方向进行了展望。     

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。     

西堠门大桥涡激振动特征分析

准确描述涡激振动的风场特征和动力响应特征是实现桥梁振动控制的前提,基于大跨度悬索桥结构健康监测系统获取的风场和振动加速度数据,对比分析了环境振动和涡激振动的风速、风向、湍流强度、阵风系数、脉动风功率谱密度、振动加速度及其功率谱密度的参数特征。结果表明：加劲梁典型的第6阶竖弯涡激振动中的风速可达7.24 m/s～12.24 m/s,风向基本垂直于桥轴向;三向湍流强度、阵风系数和脉动风功率谱在涡激振动中无明显不同于环境振动的特征。不同于多模态耦合的环境振动,涡激振动呈现单模态振动特征;通过功率谱峰值差异率量化该特征可区分环境振动和涡激振动。     

宽高比5∶1矩形断面涡激振动锁定区间内涡激力展向相关性分析

涡激力展向相关性是准确预测三维柔性结构涡激振动振幅的重要因素。以宽高比5∶1矩形断面为例，通过气动力展向相关函数理论建模和节段模型弹性悬挂测振、测压风洞试验，研究了涡激振动锁定区间内实测气动力展向相关性变化规律。研究结果表明：在涡激振动锁定区间内，实测气动力由完全相关的自激力和不完全相关的随机气动力组成，展向相关性可以用指数加常数型函数描述，指数项系数为随机气动力占实测气动力的能量比，指数项系数和常数之和等于1；实测气动升力均方根在涡振起振阶段最大，随着风速增大反而减小，随机气动力均方根基本保持不变，由此导致实测气动力展向相关性表现为起振阶段最强，随着风速增加而减弱。     

质量比对圆柱涡激特性的影响研究

采用有限体积法对不同质量比圆柱在限制流向及不限制流向下的涡激振动进行了研究。圆柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST  湍流模型对限制流向和不限制流向下圆柱涡激振动进行了数值模拟。研究发现：限制流向和不限制流向时圆柱涡激振动横向振幅均出现了初始激励分支和下端分支, 不限制流向质量比2.0时还出现了超上端分支,其横向振幅最大值为1.05D,是限制流向工况的1.81倍,质量比越大两者相差越小;限制流向和不限制流向两种工况下圆柱涡激振动均发现频率锁定现象,但锁定区间不同;质量比大小对圆柱涡激振动锁定区间也有影响;最后对不同质量比下圆柱涡激振动轨迹进行了讨论分析。     

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。     

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。     

大跨度悬索桥涡激振动动态监控预测

大跨度悬索桥的涡激振动发生频率较高,严重时将影响到行车安全性和舒适度。为了能及时预测大跨度悬索桥的涡激振动,以某跨海大桥为例,依托其结构监测系统长期监测数据,选取了顺风向平均风速、风向角、能量集中系数以及加速度均方根(RMS)作为涡激振动发生的特征参数,根据特征参数与涡激振动的相关性,构造了跨海大桥涡激振动的动态监控预测模型,建立了独立的涡激振动动态监控系统。结果表明:涡振发生时风向角主要分布在300°~330°与120°~150°;能量集中系数(功率谱密度之比W P2/W P1)小于0.1;主桥振动加速度均方根值大于5 cm/s 2;构造的系统模型预测识别率达到72%,建立的涡激振动动态监控系统识别准确率达到93%,同时开发了涡激振动预警App,实际预警效果良好,可为同类型桥梁的涡激振动预测提供借鉴。     

MTMD在钢箱梁悬索桥高阶涡激振动控制中的应用

摘要：大跨度悬索桥模态密集,常遇风速下存在多个模态发生涡激共振的可能。鉴于多重调谐质量阻尼器(MTMD)在减振效率和鲁棒性方面的优点,探讨了MTMD理论在大跨度钢箱梁悬索桥高阶竖向涡激振动控制中的应用。首先从Scanlan线性涡激力模型出发,在不考虑气动刚度项和气动阻尼项的条件下得到安装MTMD后的加劲梁位移频响函数。然后以加劲梁位移频响函数峰值极小值为目标函数,运用基于Matlab的遗传算法完成MTMD方案的初步参数优化设计。最后,从结构固有频率波动和结构固有阻尼比变化两方面讨论了MTMD的控制效率和鲁棒性。计算结果表明,在MTMD的初步参数优化设计中忽略气动刚度项和气动阻尼项是可行的,适当扩大MTMD的频率范围和阻尼比可以使其在减振效率和鲁棒性上达到更好的平衡,比传统调谐质量阻尼器（STMD）更适合悬索桥涡激振动控制。     

亮化灯具对既有斜拉索风致振动影响的试验研究

为了装点城市夜景,对既有大跨度斜拉桥进行光彩亮化改造已成为一种趋势,但是安装照明灯具将显著改变斜拉索的气动形状,影响结构气动稳定性。为保证结构的安全及耐久性,通过风洞试验研究了安装灯具后斜拉索的抗风性能,评价亮化灯具对既有斜拉索产生的影响。以三种不同管径斜拉索为研究对象,制作了几何缩尺比为1∶1的节段模型,开展了测力和测振的风洞试验。研究结果表明:灯具的存在将显著改变斜拉索的气动外形,提高其背风侧漩涡脱落的频率,使斜拉索在更低的来流风速下就具备发生涡激共振的可能性。此外,灯具对斜拉索风雨激振的影响较为有限,对斜拉索干索驰振有一定的抑制作用。     

π型开口截面斜拉桥弯扭耦合涡激共振及气动减振措施研究

针对某大跨径π型叠合梁斜拉桥的气动性能,利用刚性节段模型针对其成桥状态展开了系统的风洞试验研究.试验结果表明,该桥主梁在设计风速范围内存在明显的竖弯及扭转耦合涡激共振现象,即使将竖弯以及扭转阻尼比提高到1％左右,仍然存在明显的涡激共振现象并且振幅超过规范限值.频谱分析表明,该桥主梁断面的竖弯和扭转耦合涡激共振的频率是一...     

超高层建筑横风向气动刚度研究

为了研究超高层建筑横风向气动刚度,进行了多自由度气弹模型试验,以直接测量模型在不同风速下的振动频率,用该频率相对于自振频率的改变量作为气动刚度的评估指标。分析了结构阻尼比、风场粗糙度、模型密度、折算风速、高宽比、涡振位移等因素对气动刚度的影响。结果表明:在共振临界风速附近,气动刚度造成风振频率改变量可达自振频率的10%;频率改变量随折算风速呈“V”字形变化,在折算风速小于8时,频率改变量通常为正,在共振临界风速附近频率改变量最大,折算风速大于12时,频率改变量保持稳定且略小于结构自振频率。由于涡振位移和气动刚度的相互作用,结构阻尼比越小、风场紊流度越小、模型高宽比越大、密度越小则频率改变量随风速变化的“V”字形越尖锐。最后提出了名义折算风速和实际折算风速的概念,并建立了气动刚度的简化估算模型。     

高耸烟囱结构调谐质量惯容阻尼器(TMDI)风振控制方法及效果研究

高耸烟囱是一种典型的风敏感结构,尤其是横风向涡激共振会对结构安全造成不利影响,往往需要对其进行风振控制。相比传统的调谐质量阻尼器(TMD),调谐质量惯容阻尼器(TMDI)能够通过惯容器实现动力吸振器的轻量化设计。但惯容器的连接位置,不仅影响其在对高耸烟囱结构上实施的难度,对风振控制效果的影响也尚待定量化研究。该文将高耸烟囱简化为广义单自由度结构,基于风荷载频谱的滤波表示,推导了TMDI控制下结构风振响应的解析解。在此基础上,对TMDI最优设计参数进行了参数化分析,总结了相应的经验公式供设计参考。此外,通过对比TMDI与TMD的风振响应控制效果,给出了惯容器起增强控制效果的判别准则,以及TMDI的等效TMD质量比计算公式,以指导动力吸振器的轻量化设计。最后,通过对某270 m高混凝土烟囱风洞试验数据进行TMDI风振控制算例分析,验证了理论分析的有效性。结果表明,采用该文优化设计方法,TMDI可降低涡激共振锁定区内高耸烟囱的设计风荷载45%以上。     

进入21世纪的重庆桥梁建设及风工程研究

简要介绍了重庆市长江大桥的建设情况,并以重庆菜园坝长江大桥为例,介绍大跨度拱桥的抗风性能的相关研究工作。从主拱节段模型静力三分力试验,节段三分力计算流体力学模拟,两榀拱肋的干扰效应,全桥成桥状态和施工状态全桥气动弹性模型的设计和风洞试验,拱桥的涡激共振,拱桥三维随机风场的模拟等方面说明研究的方法和结果。     

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。     

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。