大跨度桥梁中央开槽颤振控制效果和机理研究

采用理论分析结合风洞试验的方法,对中央开槽这种已经在大跨度桥梁设计和建设中逐步得到应用的颤振控制措施的控制效果和控制机理进行研究。选取5种不同气动外形的基本断面,采取2种开槽宽度分别对其进行中央开槽处理。对全部5个系列15种断面开展节段模型风洞试验,并应用二维三自由度耦合颤振分析方法,对各断面开槽前后颤振性能、颤振驱动机理和颤振形态的变化规律进行分析。研究结果表明,中央开槽并不总是能提高结构的颤振稳定性能,其控制效果同基本断面的气动外形以及开槽宽度密切相关,当槽宽不恰当时中央开槽的控制效果会严重削弱,而对气动外形比较钝化的断面采用中央开槽后其颤振性能反而会恶化。对控制机理的理论分析表明,这种控制效果差异的原因在于各断面气动阻尼的形成和随风速发展规律存在明显差别,而颤振形态特别是竖向自由度的参与程度也影响到中央开槽的颤振控制效果。     

中央稳定板对大跨度开槽桁架梁悬索桥颤振稳定性的影响

以坝陵河大桥为背景,通过节段模型风洞试验研究了上下中央稳定板对具有中央开槽桥面板的大跨度桁架加劲梁悬索桥颤振性能的影响。结果表明,在桁架加劲梁横梁上弦杆上侧设置适当高度的上中央稳定板可以较大幅度地提高桥梁的颤振临界风速,并且在常规的稳定板高度范围,颤振临界风速基本上随上稳定板高度的增加而提高;在横梁上弦杆下侧的主桁架内设置适当高度的下中央稳定板也能在一定程度上改善桥梁颤振稳定性,但效果明显不如上稳定板,在某些高度情况下甚至会降低桥梁的颤振临界风速。     

采用偏心质量法提高悬索桥颤振稳定性的二维研究

建立了用于计算非对称结构颤振临界风速的数学模型;讨论了偏心质量法改善大跨度悬索桥颤振稳定性的可能性;提出了基于状态空间法的二维颤振分析方法,详细分析了不同大小、位置的偏心质量对颤振稳定性的影响;分析结果表明偏心质量法是一种卓有成效的提高颤振临界风速的措施。     

大跨度非对称悬索桥的颤振稳定性研究

为了研究大跨度非对称悬索桥在不同非对称类型下的颤振稳定性,以主跨为628 m的某主缆不等高支承悬索桥为工程背景,基于全模态的三维频域颤振分析方法对悬索桥进行颤振稳定性分析。利用ANSYS建立了主缆不等高支承(支承高差0～40 m)和边跨跨度非对称(边跨跨度差0～40 m)悬索桥有限元分析模型,并编制相应双参数搜索迭代的APDL计算程序进行三维颤振稳定性分析。结果表明:在构造不等高支承悬索桥时,随着支承高差的增大,低阶模态频率变化较小,高阶模态范围逐渐减小; 弯扭频率比随着支承高差增加而不断减少,高差越大弯扭频率比降低越快; 桥梁颤振临界风速随着支承高差增大而不断降低,使得由于主缆不等高支承高差所引起的非对称结构形式对大跨度悬索桥梁结构的颤振稳定性有所降低; 在构造边跨跨度非对称悬索桥时,弯扭频率比随着边跨跨度差增加而减小; 随着支承跨度差的不断增大,悬索桥梁结构的颤振临界风速不断减小,但减小幅度很小,影响不大,在边跨跨度差较小时几乎可以不考虑对悬索结构的颤振稳定性影响。     

斜风下大跨度悬索桥颤振稳定性研究

为确保斜风作用下大跨度悬索桥的抗风稳定性,采用考虑静风效应和全模态耦合影响的斜风下大跨度桥梁三维精细化颤振分析程序,以润扬长江大桥南汊悬索桥为工程背景,在0°和±3°初始风攻角下,分析了斜风下成桥状态和加劲梁从跨中向两侧桥塔对称架设全过程的颤振稳定性,并揭示了斜风作用和静风效应对成桥和施工状态大跨度悬索桥颤振稳定性的影响。结果表明：悬索桥成桥和施工状态的颤振临界风速随着风偏角的增加呈现波动起伏变化特征,且主要在斜风情况下达到最低值;斜风作用和静风效应不会影响悬索桥施工期颤振稳定性的演变规律,但会显著降低悬索桥成桥和施工状态的颤振稳定性;斜风作用使得成桥和施工状态颤振临界风速的最大降幅平均值分别达到了8.0%和19.6%,而斜风和静风的综合效应则进一步劣化悬索桥成桥和施工状态的颤振稳定性,最大降幅平均值分别达到了11.5%和22.4%,因此大跨度悬索桥成桥尤其是施工状态的颤振稳定性分析必须考虑静风和斜风综合效应的不利影响。     

大跨度悬索桥三维颤振的非线性分析

基于PK—F法 ,考虑结构以及气动力随结构变形的非线性变化影响因素 ,提出了大跨度桥梁三维非线性颤振频域分析方法。该方法能预测出结构在颤振前后整个过程的振动特性以及颤振临界状态。最后 ,运用该方法对江阴长江大桥和跨度为 2 0 0 0m的超大跨度悬索桥进行了非线性颤振分析 ,揭示了非线性因素对大跨度悬索桥颤振特性影响的机理和规律     

辅助结构对悬索桥的颤振稳定性的影响

随着悬索桥跨度不断增加,风荷载引起的稳定性问题在悬索桥的设计过程中的地位越来越重要,探求具有优异结构性能的悬索桥结构形式成为一项极有意义的工作,本文旨在研究在传统悬索桥基础上增加辅助结构之后悬索桥自振特性的变化,并寻求提高悬索桥颤振临界风速的有效措施。     

悬索桥颤振的多模态耦合及机理研究

将桥梁结构与气流作为一个系统,从能量平衡的角度研究系统的颤振稳定性.首先建立了系统能量变化率与系统等效阻尼比之间的关系,由不同风速下系统的等效阻尼比判断系统的颤振稳定性,推演了系统及各阶模态等效阻尼比的计算方法.以英国塞文桥为算例,验证了本方法的可靠性,并用于对系统发生颤振时多模态间的耦合机理进行研究.为了进一步探明多模态耦合对不同体系悬索桥颤振稳定性的影响,以我国虎门悬索桥和一座跨海桥设计方案为工程背景,证实了由扁平钢箱梁作为主梁的悬索桥,若结构对称其颤振形态将为对称模式,且系统颤振主要受第一阶对称扭转模态及低阶对称竖弯模态控制,高阶模态的影响很小;并发现了一个新的现象对于单跨悬索桥,多模态分析所得临界风速一般低于二模态分析结果,而对于三跨悬索桥(包括三跨两铰和三跨连续)趋势正好相反,这一发现对于工程实践将具有重要意义.     

不同风嘴形式分体箱梁桥梁的静力风致稳定性能

作为大跨径以及超大跨径桥梁一种新兴的断面形式,分体箱梁可以改善空气动力性能和提高颤振临界风速,但是还需要保证其静力风致稳定性能,研究了不同风嘴形式下分体箱梁的静力三分力系数和静力风致稳定性能随开槽率的演变规律。结果表明：两种风嘴形式分体箱梁的阻力系数随开槽率增加而增大,采用断面实体宽度为无量纲化标准时断面升力系数绝对值会随开槽率的增加而增加,这与采用断面总宽为无量纲化标准时结果相反,升力矩系数绝对值会随着开槽率的增加而减小,但这种规律性会受到风攻角的影响;风嘴对称性的变化仅改变断面阻力系数随开槽率的变化规律;两种计算模型下,对称风嘴断面分体箱梁桥梁跨中的各向位移绝对值和静力风致失稳临界风速随开槽率的变化规律完全相反,而不对称风嘴断面的各向位移变化规律相似但也有区别;总体上对称风嘴断面的最低静力风致失稳临界风速要高于不对称风嘴断面;考虑结构刚度变化会使断面开槽后静力风致失稳临界风速随着开槽率的增加而升高并超过不考虑刚度变化时的相应值,故对分体箱梁静力风致稳定性能分析时需要考虑开槽率不同带来的结构刚度变化。     

桥梁高墩截面形式探讨及其稳定性计算

讨论了桥梁高桥墩的截面形式,对工程中常用阶梯形高墩,依据结构稳定理论推导了常用支承情况下阶梯变截面墩柱的稳定方程,介绍了方程求解方法及求解中应注意的问题,可供设计部门参考。     

桥梁断面颤振控制的TMD优化设计方法

为提高调谐质量阻尼器（TMD）对桥梁断面颤振的控制性能,提出了2种新的TMD参数优化设计方法,即考虑气弹效应影响的经验公式方法和数值优化方法。首先,基于二维耦合颤振理论建立桥梁-TMD系统运动微分方程。其次,以流线形桥梁断面节段模型为例,对比分析考虑气弹效应影响的2种设计方法和传统TMD设计方法所得到的桥梁-TMD系统颤振临界风速与鲁棒性能,并对TMD用于桥梁颤振控制的原理与不同设计方法差异化原因开展分析。研究表明,考虑气弹效应影响的经验公式方法和数值优化方法相较传统TMD设计方法能显著提高桥梁-TMD系统颤振临界风速,其中数值优化方法得到的桥梁-TMD系统颤振控制性能最优,且相较传统设计方法得到的桥梁-TMD系统,在鲁棒性方面也有了较大提升。考虑气弹效应影响的2种优化方法可进一步提高桥梁颤振安全系数,为实际工程应用提供理论参考。     

影响大跨径悬索桥颤振的非线性因素研究

随着桥梁跨径的增大 ,各种非线性因素对大跨径悬索桥颤振特性的影响将不容忽视。在线性颤振分析方法的基础上 ,考虑风速的空间非均匀分布、结构以及作用于结构上的气动力随结构变形的非线性变化影响因素 ,建立了大跨径桥梁的三维非线性颤振分析方法。以某悬索桥为例 ,进行了考虑风速空间非均匀分布、结构动力特性以及气动力随结构变形的非线性变化等因素的颤振分析 ,揭示了各种非线性因素对大跨径悬索桥颤振影响的机理和规律     

斜拉-悬吊协作体系桥的颤振稳定性研究

运用多模态颤振有限元分析方法 ,分别从悬索的矢跨比、吊跨比、斜拉索索面布置形式、边跨辅助墩的设置以及桥面主梁构成等设计参数着手 ,对主跨 14 0 0m的斜拉 -悬吊协作体系桥进行了颤振稳定性分析 ,指出了影响斜拉 -悬吊协作体系桥颤振稳定性的关键设计参数 ,并从抗风性能角度探讨了斜拉 -悬吊协作体系桥的合理结构型式。     

变截面杆的动力稳定性研究

本文探讨了变截面杆在竖向谐振力作用下,杆件的参数共振及动力稳定性问题,为工程结构动力设计提供参考依据。     

不同截面形状和材料柱的动力稳定性研究

探讨了不同截面形状和材料柱在竖向谐振力下的动力稳定性问题 ,分析了不同截面和材料柱的动力不稳定区域的差异 ,并探讨了阻尼力、杆的尺寸效应对杆动力稳定性的影响 ,提出了杆的稳定计算长度的确定方法     

基于模态驱动分析方法的桥梁颤振模态影响机理

通过定量描述各阶模态及其分布特性在颤振演化过程中的影响,研究了多阶模态耦合导致的桥梁颤振三维效应.首先,根据系统模态中固有模态间的激励-反馈机制推导出能够反应各阶模态参与贡献的系统阻尼和刚度解析解,建立了适用于三维颤振机理分析的模态驱动分析方法.其次,对桥梁整体系统阻尼沿着跨向进行泰勒展开,建立了跨向节段与气动性能间的定量关系,使得该方法能够量化各阶模态跨向分布特性的影响.然后,以主跨径为500～1500m的悬索桥为例,系统地研究了模态的参与及其分布特性对颤振性能的影响.最后,通过比对二维和三维分析结果,揭示了三维效应的影响及其产生原因.研究结果表明:由于基础竖弯和扭转振型不可能完全相似,三维两模态结果必然大于二维分析结果;随着风速提升二阶正对称竖弯模态先提供负向阻尼后提供正向阻尼,其对颤振性能的影响取决于自身频率与系统颤振频率的比值;约70％的梁段贡献了绝大多数的气动阻尼.     

大跨度桥梁的抗风强健性及颤振评价

国际学术界公认的结构强健性,是指结构系统抵抗未曾遇见或超乎正常的环境作用的能力。为了突出风灾的未曾遇见性和超乎正常性,文章率先将结构强健性的理念引入桥梁抗风设计与颤振评价中,定义桥梁抗风强健性包括强度、刚度和稳定3个方面,并提出采用桥梁可以抵抗的设计风速的重现时间来表示抗风强健性。针对桥梁抗风稳定中的颤振强健性评价问题,建立用4个随机变量表示的颤振安全域度随机模型,提出采用等效中心点法来计算颤振强健性的可靠指标、失效概率和重现时间。基于提出的颤振强健性评价方法,对4座已经建成的大跨度桥梁和4座将要建设的大跨度桥梁进行颤振强健性分析。     

大跨度桥梁多模态耦合颤振的自动分析

基于结构的固有模态坐标 ,提出了分析大跨度桥梁结构气动耦合颤振问题新的状态空间方法。为寻找颤振临界风速 ,采用了一种简单而实用的单参数自动搜索过程。在合理假设前提下 ,将系统的一般气动运动方程转化为一种复矩阵的标准特征方程 ,它仅包含两个变量。通过求解该特征值问题进行耦合颤振分析。该颤振分析方法是一种对折减风速的单参数搜索方法 ,它不需要预先选定颤振的参与模态 ,且对结构阻尼矩阵的形式无任何要求。该方法能提供系统各模态的频率和阻尼比随折减风速或自然风速而变化的全过程情况。应该指出 ,文中假设并不影响颤振临界状态的分析结果。此外 ,对主跨跨度 13 85m的江阴长江大桥进行了颤振分析 ,证实了该方法在实际应用中的可靠性和有效性     

大跨度桥梁多模态耦合颤振二分法全自动搜索

在分析和评价国内外对大跨度桥梁风致颤振研究的成果和目前各种常用颤振分析方法优缺点的基础上,基于结构的固有模态坐标,进一步完善了大跨度桥梁多模态耦合颤振的双参数搜索状态空间法。通过将结构和气流作为一个动态系统,最后将颤振问题归结为数学上一个非对称实矩阵的广义特性值问题。在求解中,风速搜索采用了二分法加速收敛技术,频率采用搜索迭代法,该方法可以按指定的搜索精度,迅速搜索到颤振临界风速和颤振频率,无须设定步长,且能真实地给出各阶模态频率和阻尼比随风速的全过程。最后对具有理想平板截面的悬臂梁进行颤振分析验证了本文方法的正确性,同时对总跨度1177m的香港汀九大桥进行颤振分析,计算得到的颤振临界风速基本与风洞试验结果基本一致,进一步表明本文方法的可靠性和高效性。     

中央开槽钢箱梁悬索桥涡激共振及风振危险性的思考

介绍中央开槽钢箱梁悬索桥受低风速风作用发生的涡激共振实况。根据史料评述悬索桥风振危险性。