钢桁架悬索桥颤振稳定性能研究

钢桁架悬索桥由于抗扭刚度较小其颤振稳定性通常难以满足抗风稳定性要求。本文以刘家峡大桥为例通过风洞试验研究了采取中央稳定板、导流板、封闭防撞栏等气动措施组合对钢桁架悬索桥颤振稳定性的影响。结果表明：上、下稳定板同时使用效果优于单独使用;将上稳定板做成分段布置时,正攻角的颤振临界风速会急剧降低。水平导流板外置比导流板内置于钢桁架内部效果好;加宽水平导流板可以使不同攻角颤振稳定性趋于均衡。加高并封闭防撞栏杆可以起到中央稳定板的作用,能有效提高桁架悬索桥不同攻角的颤振临界风速。     

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。     

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。     

不同风攻角下薄平板断面颤振机理研究

薄平板在汽轮机末级叶片和风力机叶片等领域获得了广泛的应用,也作为基准对象用于流线型箱梁的颤振研究中。由于不同来流攻角对薄平板气动性能的影响不同,因此研究不同攻角下薄平板的颤振机理,把握其颤振特性,对保障结构安全具有重要意义。以宽高比为40的薄平板模型为研究对象,基于不同风攻角下的颤振导数,采用双模态耦合颤振分析方法,通过对不同攻角下颤振过程中气动阻尼、弯扭运动相位的差异性分析,研究了薄平板在不同风攻角下的颤振机理,指出了影响颤振性能的主要原因。研究结果表明:0°和3°攻角下颤振性能相似,均为扭转主导的弯扭耦合颤振;在5°和7°攻角下,薄平板虽然发生扭转主导的弯扭耦合颤振,但此时非耦合气动力提供的气动正阻尼显著减小,而耦合气动力提供的气动负阻尼增强,因而直接导致了大攻角下薄平板颤振临界风速的显著降低;同时,随着攻角由小到大变化,弯扭运动间的相位差也随之变化,并在7°攻角下发生了翻转式性转变:由扭转运动滞后于竖向运动转变为了竖向运动滞后于扭转运动。研究成果揭示了薄平板在大攻角下颤振性能弱化的气动弹性力学机理,为工程薄平板的颤振设计提供了参考。     

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。     

大跨度钢桁梁悬索桥颤振稳定措施试验研究

为了研究不同颤振稳定措施对大跨度钢桁梁悬索桥颤振性能的影响,以赤水河大桥(大跨度钢桁梁悬索桥)为研究背景,通过节段模型风洞试验,分别研究了封闭中央开槽、设置上下中央稳定板三种稳定措施在单独设置以及联合使用时对主梁颤振临界风速的影响,并考察了颤振临界风速增长率随封槽板及稳定板封隔率和高度参数的变化规律,最后通过1:100全桥气弹模型试验验证了节段模型试验结果的可靠性。结果表明:封闭中央开槽能够在一定程度上改善钢桁梁的颤振稳定性能;单独设置上中央稳定板时,主梁颤振临界风速随着上稳定板高度的增加成非线性变化,并存在一个敏感区间;上稳定板的封隔率对其制振效果影响十分显著;多种稳定措施联合使用的制振效果明显优于单一稳定措施;单独设置和联合使用其他稳定措施时,上中央稳定板的制振效果比下中央稳定板好;封槽板以及上稳定板的封隔率均对颤振临界风速具有一定的影响。     

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。     

分体三箱断面主梁桥梁的抗风性能及气动优化

为研究分体三箱断面主梁桥梁的抗风性能并提出有效的气动优化措施,基于某公铁两用分体三箱断面主梁大跨度斜拉悬索协作体系桥梁,开展了不同风攻角、不同紊流度流场以及5种不同气动措施下的节段模型风洞试验。结果表明,箱体分离会使主梁断面颤振临界风速大幅提高,但会造成箱体间流场的复杂化从而带来涡激振动(VIV)问题。成桥状态原始断面0°、±3°攻角下均发现了扭转VIV,最大扭转振幅1.238°;颤振临界风速均高于97.3 m/s。桥面抑流板、不同检修轨道位置及梁底导流板3种措施对扭转VIV抑制效果不理想;箱体间隙处加装均布纵向格栅可有效抑制扭转VIV,且透风率越小优化效果越明显,但透风率小于23%的格栅会造成颤振临界风速的下降;10%透风率格栅与下中央稳定板组合措施在完全抑制扭转VIV的同时保证了桥梁的颤振性能。基于计算流体动力学(CFD),得到了原始断面和优化工况主梁周围的流场结构及气动力变化规律。箱体间距处与下游公路箱上方大尺度旋涡的形成是主梁VIV的主要诱因。优化后断面箱体间距处大尺度旋涡被打散,升力和扭矩时程均方根(RMS)明显减小,从而有效改善了主梁的VIV性能。同时优化工况的升力和力矩系数曲线的斜率在±5°攻角范围内均为正值,说明主梁具备了气动稳定必要条件。     

边箱钢-混叠合梁颤振性能及气动措施研究

为了研究边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振性能,以某大跨度悬索桥为背景,通过一系列节段模型风洞试验,研究了边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振形态及特性,并详细分析了上、下中央稳定板、水平导流板、裙板、锐化风嘴等气动措施对其颤振性能的影响。结果表明:边箱钢-混叠合梁颤振呈现以扭转为主、单一频率振动的弯扭耦合振动特征,即出现软颤振现象,且振动频率与系统扭转频率相近;通过气动优化研究发现,对于边箱钢-混叠合梁,中央稳定板对于提高其颤振临界风速的作用有限,而水平导流板与裙板组合气动措施的作用效果明显,可显著提高其颤振临界风速。此外,锐化风嘴亦可改善边箱钢-混叠合梁颤振性能。     

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。     

平行双幅桥梁的颤振控制试验研究

当平行双幅桥的两个主梁距离较近时,双幅桥面之间的气动干扰效应对颤振性能具有不利的影响。为提高平行双幅桥的颤振稳定性,基于一座平行双幅Π型断面斜拉桥,开展了间距比(D/B)、风嘴角度和竖向稳定板以及水平分离板等多种气动措施下节段模型风洞试验,分析了这些工况下的颤振临界风速和颤振导数的变化规律。结果表明,气动干扰效应对于双幅桥的颤振稳定性都具有不利的影响,其中该效应对上风侧桥的影响小于下风侧桥,对闭口截面的影响要小于开口截面,随着间距比的增大而逐步减小;此外,65°风嘴时的颤振稳定性最好,上中央和下四分点的竖向稳定板均可减小气动干扰效应,而水平分离板反之。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

风致静力扭角对桥梁颤振性能影响的节段模型试验研究

自由振动试验识别得到的气动参数已包含了一定的、但与实桥不严格相似的风致静力扭角的影响.为了在颤振分析中能精确考虑风致静力扭角的影响,首先必须消除节段模型试验中风致静力扭角对气动导数识别结果的影响.通过在试验过程中使节段模型作受控反向旋转可以消除平均风附加攻角,然后以象山港大桥为背景,将消除平均风附加攻角后的试验结果与常规试验结果相比较,对风致静力扭角对节段模型系统的阻尼比、气动导数和临界风速的影响进行了初步讨论.研究结果表明:风致静力扭角对模型扭转阻尼比和与扭转有关的气动导数有明显的影响.象山港大桥节段模型在+3°攻角发生颤振时风致静力扭角约为0.32°,攻角修正以后节段模型颤振临界风速识别结果提高了7%.     

扭弯频率比对π型断面节段模型后颤振特性的影响

以某π型断面桥梁为对象，通过弹性悬挂节段模型风洞试验，识别了机械阻尼随振幅的非线性演变特性。在此基础上，研究了扭弯频率比为0.872，0.971，0.988，1.035，1.085，1.245 六种情况下的颤振临界风速及非线性后颤振振动特性。试验结果表明模型在来流风速超过临界风速后出现极限环振动，且极限环振动的幅值随风速增加而增 大。扭弯频率比对模型气弹响应的多方面特性均有实质性的影响，包括颤振临界风速、后颤振极限环振动幅值、后颤振幅值随风速的演变路径、竖向与扭转的耦合程度以及颤振的“软硬”性质等等。研究结果表明，颤振发生时，竖向与扭转自由度以同频率但非零相位差的形式进行耦合，且相位差随风速与扭弯频率比的变化显著。受气动刚度影响，模型扭转振动频率随风速的增加单调下降，但即使对于初始扭弯频率比小于1 的情况，颤振时仍然以竖向与扭转自由度耦合的形式发生，这一点与流线型断面的经典耦合颤振有明显的不同。该研究也反映了现行的公路桥梁抗风设计规范在体现扭弯频率比影响方面的不足。     

PC板式加劲梁悬索桥三维颤振特性分析

以规划的贵州某PC板式加劲梁悬索桥为研究对象,针对施工和成桥两种状态,利用节段模型强迫振动风洞试验,识别了-3°、0°和3°三个风攻角下PC板式加劲梁的8个颤振导数。通过有限元软件ANSYS的二次开发,对大桥进行了颤振全模态频域分析,研究了不同风攻角和栏杆对该桥颤振特性的影响。研究发现,在0°风攻角下,栏杆(成桥状态)显著恶化了加劲梁的颤振特性;无论是施工状态(无栏杆)还是成桥状态,负攻角下大桥颤振临界风速显著降低;相反,正攻角下施工和成桥均有很高的颤振临界风速。这表明,此类PC板式加劲梁悬索桥对来流风攻角非常敏感,因此栏杆气动外形优化和桥址风场条件研究非常重要     

流线型箱梁颤振形态非线性特征的风洞试验研究

以南京长江第四大桥流线型箱梁断面为研究对象，基于节段模型自由振动风洞试验，详细测试了断面在不同攻角下的颤振性能。探讨了断面运动形态非线性特征随风速和攻角的演化规律，及非线性特征演化的动力学机理。研究表明，负攻角下，动力系统多非稳态极限环随风速增大逐渐减小的特征使得系统响应依赖于初始振幅，并导致了颤振性能随初始激励增大急剧减弱的现象；正攻角下，多稳态极限环随风速增大而增大的特征使得系统颤振响应表征为典型的软颤振；高风速下，极限环的消失使得系统响应表征为硬颤振，且不依赖于初始振幅；最后，从模态阻尼随振幅的演化规律，解释了系统颤振形态在各攻角下异同的动力学机理。