基于可调姿态气动翼板的大跨度#br# 悬索桥颤振主动抑振方法

针对传统被动气动措施难以满足超大跨度悬索桥颤振设防需求的问题,提出一种基于可调姿态气动翼板的颤振主动抑振方法。该方法首先基于Roger颤振自激力时域模型建立主梁 翼板动力系统的状态空间表达,并通过系统重构优化使该表达能更加合理、有效地反应翼板姿态调节机制。此后通过引入基于主梁 翼板系统振幅控制权重的线性二次型指标,建立从桥梁振动状态监测到翼板姿态控制的颤振稳定性实时调节方法。为验证该方法的有效性和鲁棒性,研发针对桥梁节段模型风洞试验的反馈控制系统。研究发现,作用于两侧翼板上的反相气动升力在翼板间距的放大作用下形成的力偶是颤振控制力的主要成分,当迎风侧翼板振动相位滞后于主梁扭转振动约90°、背风侧翼板振动相位超前于主梁扭转振动约90°时有最优抑振效果;调节主梁控制权重至翼板控制权重的2倍时,可以提高颤振临界风速33%。     

流线箱梁风嘴侧主动气动翼板的颤振控制试验研究

基于气动外形优化的传统被动气动措施难以满足跨度不断增大带来的抗风性能新挑战,主动气动措施被寄予期望。结合现实需求,基于主动翼板提出新型桥梁颤振控制方法,设计并制作主梁 主动翼板缩尺检验模型。在箱梁两侧设置一对水平翼板,通过传感器感知主梁的运动行为,对其施加相对主梁振幅的特定放大倍数(增益系数)的反制运动,借助翼板的运动来影响主梁周围的流场,从而提高主梁的颤振稳定性,实现完整的闭环反馈控制系统。在均匀流条件下,通过调整翼板运动函数中的增益系数和翼板与主梁的相位差组合,揭示颤振临界风速的变化规律。研究发现,两侧翼板的相位差组合与增益系数均显著影响系统的颤振性能,当迎风侧翼板与主梁的运动保持相位差180°～360°,背风侧翼板与主梁的运动保持相位差0°～180°时,可以提高系统的颤振性能。当增益系数介于1～9时,过小的增益系数对系统颤振性能改善有限,过大的增益系数会恶化系统的颤振性能,当增益系数介于3～4时存在最佳控制效果。     

分体式钝体双箱钢箱梁斜拉桥节段模型风洞试验研究

针对某主跨为458m的分体式钝体双箱钢箱梁斜拉桥,通过缩尺比为1∶50的主梁节段模型风洞试验,研究桥梁的颤振和涡激共振性能。节段模型风洞试验结果表明,在0°和+3°两种风攻角下,该桥原始方案的颤振临界风速低于颤振检验风速,而且扭转涡激共振的振幅也超过了设计允许值。为了提高桥梁的颤振稳定性并抑制涡激共振,研究在分体式钝体双箱钢箱梁上游和下游两侧上方安装固定水平气动翼板的气动控制措施。气动翼板的宽度为0.043B(B:分体式钝体双箱钢箱梁的宽度),上游和下游两侧气动翼板质心之间的水平距离为1.02B,气动翼板质心至分体式钝体双箱钢箱梁顶面的竖向距离为0.45H(H:分体式钝体双箱钢箱梁的高度),两侧气动翼板单位长度的总质量为0.008meq(meq:单位长度分体式钝体双箱钢箱梁的等效质量)。节段模型风洞试验结果表明:安装固定水平气动翼板后,在0°和+3°两种风攻角下,该桥改进方案与原始方案相比颤振临界风速分别提高了24%和33%,均高于颤振检验风速,并且改进桥梁方案没有发生涡激共振现象。最后,通过分析不同风速下桥梁结构阻尼随风速的变化,结果发现:安装固定水平气动翼板后桥梁扭转运动的阻尼显著增加,从而提高了桥梁的颤振稳定性,同时有效抑制了桥梁的扭转涡激共振。     

基于大尺度节段模型的悬索桥涡激振动控制气动措施研究

针对扁平钢箱梁悬索桥,通过节段模型的风洞试验,研究了其成桥状态主梁的涡振性能。试验中,采用风攻角α=0°、 3°、-3°研究该桥涡激振动特性,以及研究采用导流板气动措施制振效果。     

钢桁梁斜拉桥抗风稳定性数值模拟分析

以金塘大桥为研究对象,基于弹簧悬挂系统,采用Starccm+软件为研究工具,利用微分方程的数值解法和动网格技术,研究不同风攻角下桥梁的颤振临界风速、涡振扭转和竖弯振幅。结果显示:风攻角为3°时颤振临界风速区间为81～83m/s,风攻角为0°时颤振临界风速区间为87～89m/s,风攻角为-3°时颤振临界风速区间为95～98m/s,而规范公式计算的弯扭耦合颤振临界风速为90.44m/s,均大于检验风速76.3m/s;金塘公铁两用大桥的竖向弯曲振动和扭转振动涡振的共振振幅分别为102mm和0.253 86°,均小于规范的容许值201.3mm和0.289 8°;主梁颤振及涡激振动性能满足要求。研究结果表明金塘公铁两用大桥设计抗风稳定性满足规范要求,研究方法对大跨度桥梁的抗风设计具有参考价值和实际意义。     

分体式双箱梁涡振气动控制措施数值模拟

分体式钢箱梁可较大幅度提高颤振临界风速,但较容易引起桥梁涡振,以国内某大跨悬索桥涡激共振为背景,对分体式双箱梁分别增设风障、导流板和纵向格栅后的涡振响应进行纯数值模拟,对比分析了导流板和纵向格栅在一阶正对称竖弯、一阶反对称扭转和七阶竖弯模态,风攻角范围为+3°～-3°情况下的涡振控制效果,基于上述气动措施的流场特性,对其涡振减振机理进行了研究。研究结果表明,风障可以有效降低竖弯涡振振幅,但对扭转涡振振幅具有放大作用;导流板的涡振控制效果与风攻角和风速有关;纵向格栅对正、负风攻角下的竖弯和扭转涡振均有很好的控制效果。     

山区大跨钢桁梁悬索桥颤振性能及控制措施研究

根据山区桥梁的特点,首先利用CFD数值模拟对某山区大跨桥梁桥址处的风场特性进行了分析,得到了桥址处的风速放大系数和攻角变化范围,指出山区桥梁做抗风设计时必须考虑的攻角范围。对山区大跨桥梁经常采用的桁架梁主梁断面通过风洞试验进行了气动优化,研究得出利用气动翼板提高主梁颤振临界风速的方法。根据山区的风参数特征,指出了山区桥梁气动翼板的安装角度。     

挑臂式钢箱梁抗风性能研究

公铁平层合建桥梁主梁采用挑臂式钢箱梁形式可使结构轻盈美观,经济性好。文章为某座采用该种形式主梁的公铁平层合建斜拉桥的抗风性能,对其开展风洞试验研究。利用有限元软件ANSYS建立该桥的有限元模型计算其动力特性,并按照1:75几何缩尺比制作主梁标准节段模型进行风洞试验。试验结果表明该桥驰振、颤振和涡激共振稳定性满足规范要求,建议使用阻尼器或气动控制措施进一步控制扭转涡振振幅以保证列车运行的安全性。     

风雨联合作用下大跨桥梁颤振稳定性试验研究

针对风雨联合作用下的大跨桥梁颤振稳定性,以一开槽双箱梁桥梁为研究对象,通过在大气边界层风洞中搭建的风雨联合作用试验系统,完成基于自由振动法的节段模型颤振试验。通过分析不同雨强下该桥梁主梁的颤振导数以及颤振临界风速,进而获取降雨对大跨桥梁颤振稳定性的影响规律。试验结果显示:颤振导数随雨强变化而变化,其中体现扭转气动阻尼特性的颤振导数变化较为显著,随雨强增大,颤振临界风速先增大后减小。试验结果表明:降雨对大跨桥梁的颤振导数以及颤振临界风速均有一定影响。     

大跨度桥梁结构耦合抖振响应频域分析

基于结构的固有模态坐标 ,提出了用于大跨度桥梁耦合抖振响应分析的有限元CQC(thecompletequadraticcombination)方法。在合理假设基础上 ,推导了桥梁结构的节点等效气动抖振力公式。应用随机振动理论 ,提出了桥梁结构节点位移和单元内力功率谱密度和方差的计算方法。该方法采用了含 18个颤振导数的气动自激力模型 ,可以考虑自然风的任意风谱和空间相关性以及桥梁抖振响应的多模态和模态耦合效应 ,且计算效率很高。此外 ,对主跨跨度 13 85m的江阴长江大桥的耦合抖振问题进行了分析 ,得出了一些结论。分析结果表明 ,在大跨度悬索桥中 ,多模态效应和模态耦合效应对主梁的竖向和扭转位移抖振响应有显著的影响     

桥梁主梁断面气动耦合颤振分析与颤振机理研究

通过对系统竖向和扭转耦合振动运动方程的解耦,将系统振动参数的频率和阻尼比隐式地表达成桥梁断面颤振导数的函数形式,导出了二自由度耦合颤振分析方法。值得注意的是,在临界颤振的情况下颤振运动为等幅的谐波运动,因而在颤振临界点时该颤振分析方法理论上是完全精确的。将该分析方法的结果与系统特征值分析方法的计算结果进行比较,验证了该分析方法的可靠性和适用性。在此基础上,对典型桥梁断面气动耦合颤振的机理进行了研究。分析结果表明,对于典型扁平箱形桥梁断面来说,耦合颤振导数项对系统振动参数中频率的影响均较小,系统模态的气动阻尼比主要由直接颤振导数项和耦合颤振导数项A1A3构成。     

主跨530m斜拉桥主梁气动选型分析

为了寻求主跨530 m大跨度斜拉桥——银洲湖特大桥较佳气动性能的主梁,文章分析了三种不同方案的桥梁结构动力特性,对三种Π型主梁采用数值模拟的方法分析了其气动参数,计算了该大跨度桥梁的静风稳定性和颤振稳定性,对比了三种方案中主梁的静动力性能。结果表明,三种方案桥梁结构的主梁基频基本一致;主梁的静力静风失稳临界风速均远大于静力失稳检验风速,其静风稳定性均满足要求;三种方案的颤振临界风速均大于颤振检验风速,其颤振稳定性满足要求,其中,钢箱梁主梁的颤振临界风速相对最大,叠合梁桥梁的颤振临界风速相对最小。     

干热河谷区大跨度钢桁梁悬索桥颤振性能研究

针对某跨越干热河谷区深大峡谷的千米级钢桁梁悬索桥,通过节段模型风洞试验对其颤振性能进行了研究,确保了结构的颤振稳定性。首先,采用ANSYS软件对桥梁结构的动力特性进行了计算分析。然后,设计了相应的试验模型,并分析了竖弯阻尼比和扭转阻尼比对桥梁颤振性能的影响。最后,提出了一种气动优化措施使桥梁的颤振稳定性满足要求。研究结果表明:该钢桁梁悬索桥的颤振形态以扭转振动为主,因此,扭转阻尼比的改变对其颤振性能的影响将明显大于竖弯阻尼比;大风攻角来流下桥梁的颤振临界风速将会降低,如果封闭桥面系的中央开槽并在其下侧设置竖向中央稳定板,可以使该悬索桥的颤振临界风速满足颤振检验风速的要求。     

上海长江大桥车桥系统节段模型涡激共振试验研究

涡激共振通常都在低风速发生,且涡激共振对断面形式的微小变化很敏感,因此有必要研究车辆对车桥系统涡激共振性能的影响。以上海长江大桥为背景,在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-1边界层风洞中进行了1∶60缩尺模型试验,开展了桥面无车状态、桥面有车状态下的两种断面形式以及0°、 3°和-3°三种风攻角共6个试验工况节段模型涡激共振试验研究,并将模型试验结果经过振型修正换算到实桥。试验结果表明:桥面有车状态下的竖弯涡振和扭转涡振中分别伴有相同频率的扭转振动和竖弯振动;桥面有车状态的竖弯涡振和扭转涡振幅值明显比桥面无车状态大;桥面有车状态下的涡振锁定风速区间比桥面无车状态下提前。可见车辆明显改变了主梁的气动外形,且无论从振幅还是振动形态方面考虑,车辆对车桥系统的涡激共振影响是不可忽视的。     

快速预测大跨度桥梁颤振临界风速的CFD-AM-CSD方法

提出一种基于CFD(computational fluid dynamics)计算和系统识别建立气动模型(aerodynamic model,简称AM),基于气动模型仿真和CSD(computational structural dynamics)耦合计算,快速预测大跨度桥梁颤振临界风速的CFD-AM-CSD方法。该方法先将桥梁在风作用下的流场处理成一个气动力系统,通过实现一种基于广谱激励强迫桥梁断面运动的CFD计算,并通过给定的桥梁运动位移和计算得到的气动力,基于系统识别获得桥梁主梁的气动力模型。然后将大跨度桥梁结构系统和主梁气动力系统组成AM-CSD气动弹性耦合系统,考察桥梁在初始位移激励条件和不同的来流风速下,耦合系统的位移和气动力响应之时域和频域特征,并最终预测大跨度桥梁的颤振临界风速。以主跨888m的虎门大桥为例,给出大桥的颤振临界风速和颤振形态,通过与风洞试验的对比,验证方法的可行性和高效性。     

基于三维频域分析的中央稳定板抑振机理研究

大跨桥梁采用斜吊杆、空间主缆与各种控制措施,使得桥梁结构的固有特性变得更加复杂。其中通过设置中央稳定板来改善颤振气动性能是常见的气动控制措施。文章以安装中央稳定板的流线型箱梁为研究对象,为考虑主缆、吊索、桥塔等结构与来流风的相互作用及多模态间的耦合效应,通过全桥气弹模型风洞试验与三维频域分析相结合,研究中央稳定板的抑振机理。     

分离式双箱主梁断面气动优化措施研究

随着桥梁跨径不断增大,抗风性能已成为设计中的关键控制性因素。由典型流线型钢箱梁中央开槽而来的分离式双箱主梁在超大跨径桥梁中具有广阔的应用前景。但目前针对分离式双箱主梁断面气动优化的研究多围绕某单一气动措施的优化展开,关于多种气动措施配合使用对其气动性能影响的研究较少。以同时设置了风嘴、导流板和分流板的分离式双箱主梁断面为对象,设计了16种断面形式,从静风稳定性和颤振稳定性两方面,研究了多种气动措施共存情况下,各气动措施对分离式双箱主梁断面抗风性能的影响,从而得到各气动措施的优化设置方法。研究成果对提高超大跨径桥梁抗风性能具有指导意义。     

桥梁主梁断面18个颤振导数识别的三自由度强迫振动法

利用开发的全数控三自由强迫振动装置,发展桥梁断面18个颤振导数识别的三自由度强迫振动法。强迫振动装置的驱动系统由伺服电机、数字驱动器和独特的耦合运动机构共同组成,实现由电脑调节振动频率等参数及控制其各个自由度单独或耦合运动;采用时域最小二乘识别算法,通过单自由度、竖向和扭转两自由耦合以及三自由度耦合三种运动方式分别对宽厚比为1/22.5的平板断面以及两种典型的桥梁断面进行颤振导数识别。试验结果表明,该方法识别的平板断面颤振导数与Theodorsen理论值非常接近;桥梁断面颤振导数曲线比较光滑,与阻力有关的颤振导数也具有良好的趋势性,而且模型运动方式对桥梁断面颤振导数的影响很小。     

风驱雨作用下桥梁主梁颤振节段模型试验研究

针对风驱雨作用下桥梁主梁的颤振问题,依据风驱雨作用和主梁振动特点,给出了分别考虑雨滴冲击和表面积水后的降雨相似关系,并探讨了其选取原则。选取大跨度桥梁较常采用的典型断面,通过节段模型试验模拟了风驱雨对主梁断面的颤振导数和颤振发生过程的影响。试验结果表明:主梁断面的颤振气动导数随雨强的变化无明显规律,各导数的变化量值相当,随风速增加,降雨引起的导数变化有所加大,但基本没有改变其随风速变化的整体趋势,试验雨强120mm/h时,模型颤振临界风速会有20%～30%左右的提高,但考虑雨强相似比后可以认为降雨对桥梁主梁的风致颤振失稳特征的影响基本可以忽略。     

特大跨钢桁梁悬索桥主梁气动参数试验研究

以一大跨悬索桥坝陵河大桥钢桁梁主梁断面为研究对象,通过节段模型风洞试验和高频动态天平测力试验,得到了钢桁梁主梁优化断面并试验得出三分力系数、颤振导数以及气动导纳,归纳出适合钢桁梁桥梁断面的气动导纳经验公式,改善了传统上计算抖振在气动导纳上的明显缺陷。研究成果已经应用于坝陵河大桥的建设,且可以为以后类似桥梁的抗风设计提供参考。