不同风向角下方柱气动特性的风洞试验研究

基于刚性模型测压风洞试验,分析了0～45°范围内不同风向角下方柱的气动特性,得到了方柱的平均风压分布、脉动风压分布、平均气动力、脉动气动力、旋涡脱落特性和驰振稳定性随风向角的变化规律.结果 表明:方柱的平均阻力系数和平均升力系数随着风向角的增大均先减小后增大,最后趋于平稳,在15°风向角附近取得最小值;方柱的脉动阻力系数基本不随风向角的变化而变化,脉动升力系数在风向角由5°增大到10°时急剧减小;方柱的斯托罗哈数随着风向角的增大呈小幅波动,在5°和15°风向角附近分别取得极小值和极大值;0～ 10°为方柱的驰振不稳定风向角范围.     

三维新月形变截面覆冰斜拉索气动力特性研究

为研究变截面覆冰对斜拉索气动力特性的影响,应用FLUENT中的SST k-ω 模型对三维新月形变截面覆冰斜拉索绕流场进行数值模拟;将变截面覆冰斜拉索模型划分为6个节段,分别监测不同覆冰厚度节段的气动力,得到全攻角下各节段以及全索的阻力系数和升力系数;基于Den Hartog机制,获得驰振力系数,进而研究变截面覆冰斜拉索的驰振稳定性。结果表明:变截面覆冰形态对斜拉索的流场分布影响较大,其绕流场具有明显的三维流动特性;由于覆冰厚度的变化,变截面覆冰斜拉索各节段表现出不同的气动力特性和驰振稳定性;经过三维模拟计算,变截面覆冰斜拉索各节段及全索的部分驰振力系数小于0,拉索具有发生覆冰驰振的可能性,变截面覆冰对斜拉索的气动力特性影响较大。     

全风向角下二维切角方形桥塔气动措施数值模拟

采用SST K-ω湍流模型,对二维切角方形桥塔气动措施进行了全风向角下的CFD数值模拟研究,雷诺数为5×10~4。分析了添加气动措施对桥塔气动力系数、横风向气动力频谱、斯托罗哈数的影响,并与试验结果进行了对比,二者吻合较好。研究结果表明,风向角α≤25°,升力系数呈下降趋势,添加翼板会显著增大桥塔升力系数;α25°,升力系数呈上升趋势,添加气动措施对桥塔升力系数没有影响。添加气动措施后桥塔阻力系数会增大,最小阻力系数出现在5°～10°风向角范围内。不同风向角下的模型涡脱方式不同,包含的涡脱频率也不同,漩涡脱落不一定是单纯的正弦现象。添加气动措施会减小模型St数,最大St数出现在5°～15°风向角之间。     

双分裂导线尾流驰振的数值模拟

利用计算流体动力学(CFD)方法对双分裂导线在均匀来流作用下的气动力与流场特性进行数值模拟计算,研究得到各子导线的气动力系数,以及背风侧子导线气动力系数随其与迎风侧子导线相对位置的变化曲线。同时采用两节点索单元模拟导线,梁单元模拟间隔棒,建立双分裂导线的尾流驰振数值模拟的有限元模型,并基于CFD方法数值模拟得到的各子导线气动力参数建立双分裂导线的气动力模型;利用Ruange-Kutta显示积分法对其动力方程进行非线性数值求解,得到其尾流驰振的动力响应。最后以某实际工程中双分裂导线为例,研究间隔棒布置、分裂导线倾角以及风速对分裂导线尾流驰振的影响。上述结论可为双分裂导线的防振设计与研究提供参考。     

超高层建筑横风向驰振稳定性风洞试验研究

基于高频天平测力风洞试验技术,在6种模拟湍流边界层风场中对12个不同长细比及厚宽比的矩形截面超高层建筑模型的气动力进行了测量,计算得到了各试验工况下的横风向气动力系数的导数,并分析了长细比、厚宽比及来流风场湍流强度对其的影响,同时给出了相应的拟合公式。在此基础上,进一步分析了超高层建筑横风向准定常气动阻尼比及驰振临界风速的变化规律。试验结果和分析结论可为超高层建筑的抗风设计提供参考。     

风载作用下扇形覆冰斜拉索的疲劳损伤研究

在寒冷环境中,斜拉索易产生覆冰,覆冰将使得斜拉索的重心与轴线不重合,变成不稳定的气动外形。在大风的作用下,容易产生驰振失稳,驰振是一种低频大幅振动,会严重影响斜拉索的安全。因此,该文将选取一种典型的斜拉索覆冰冰型-扇形对斜拉索的覆冰驰振稳定性进行研究。该文主要根据Den Hartog驰振理论,采用FLUENT模拟软件监测斜拉索的升力及阻力时程曲线,计算得到平均升阻力系数及驰振力系数,根据驰振力是否小于0来判断斜拉索是否发生驰振失稳,并通过工程实例计算覆冰斜拉索的驰振临界风速。结果表明:扇形覆冰斜拉索存在小于0的风攻角区域且对应的驰振临界风速较小,说明斜拉索在此覆冰条件下易产生覆冰驰振。对比风洞试验和二维模拟数据,发现三维模拟得到的覆冰斜拉索气动力系数更接近于实验值。     

钢管-钢管混凝土复合桥塔抗风性能试验研究

采用钢管-钢管混凝土复合桥塔可减轻桥塔自重,设计出更轻盈多样的结构造型,为分析桥塔抗风自立状态的抗风性能,采用MIDAS软件对该桥塔进行了抗风性能数值分析,并制作1:100的缩尺气弹模型进行风洞试验,研究桥塔的涡振、驰振和抖振响应.结果表明:在该桥塔自立状态风洞试验中未发现明显的涡振和驰振现象,紊流场中桥塔抖振响应也很...     

门式变断面桥塔气动力系数及涡振性能研究

为研究门式变断面桥塔风致静动力性能,采用CFD数值模拟方法对塔柱典型断面进行定常及非定常分析,考查了断面静力气动力系数及涡振参数,对桥塔涡振性能进行了初步评判;通过气弹模型风洞试验,测试了塔柱自振特性,考查了不同风速下均匀流及紊流场中桥塔涡振起振风速及塔顶水平向位移响应,并与数值分析结果进行了对比。研究表明,风洞试验与CFD结果吻合,采用数值分析方法对桥塔顺桥向涡振性能进行预测具有足够精度;横桥向来流作用下,塔柱可能发生顺桥向涡振。     

倒角方形桥塔驰振特性分析及控制措施研究

文章以在建的某斜拉桥倒角方形截面桥塔为工程背景,对该桥桥塔的风致振动性能进行了研究,试验表明,原始断面的桥塔会出现驰振。随后在桥塔倒角处分别加设圆弧形导流板和矩形垂直翼板,进行了裸塔状态的气弹模型风洞试验,印证了圆弧形导流板或者矩形垂直翼板均可以有效提升倒角方形桥塔驰振临界风速的观点。     

三维扇形覆冰单索及串列双索风致振动及尾流驰振分析

斜拉索偏心覆冰后,气动外形不再稳定,在风荷载作用下,可能诱发驰振。主要对三维扇形覆冰斜拉索以及串列双索尾流驰振进行研究。首先应用FLUENT中的SST k-ω模型对三维扇形覆冰斜拉索及串列双索的绕流场进行数值模拟,得到全向角下的阻力系数、升力系数及驰振力系数,然后依此判定覆冰斜拉索是否发生驰振,并得到某大跨斜拉桥部分斜拉索的驰振临界风速。数值分析结果表明,经过三维模拟计算的扇形覆冰直索及斜索的驰振力系数均大于零,表明在模拟的工况下,扇形覆冰单索在风荷载作用下不会发生驰振;而串列双索会在40°左右存在驰振力系数小于零的区域,会发生尾流驰振,但驰振临界风速很小。     

考虑脉动风影响的风电塔风致动力响应数值分析与现场监测比较

本文基于"风轮-机舱-塔体"三维仿真模型,进行风电塔在暴风荷载作用下的风致动力响应分析,并基于规范中的风荷载计算方法与动力分析方法对风电塔的应力、位移和内力进行计算分析,同时研究风电塔风轮受不利风向影响时的力学特性变化规律,并对风电塔在常规风荷载作用下的应力和位移进行现场监测比较研究。结果表明,基于规范计算的风电塔的应力、位移及内力要比动力分析的计算值偏小;脉动风时程激励下,风电塔的最大应力值低于结构的最小许用应力值,但结构顶部的水平位移超过结构的位移限值,在风电塔设计中应予以注意。风电塔受不利方向的暴风影响会产生很大的内力,塔底最大剪力和弯矩增大了91%和106%,在风电塔设计过程中应该重点考虑;基于常规风荷载作用下的应力和位移的数值仿真结果与监测结果吻合较好。     

大跨径斜拉桥动力特性分析

首先针对大跨径斜拉桥的结构特点,从主梁、主塔、斜拉索和边界条件等方面阐述了斜拉桥有限元动力分析的建模方法;然后以苏通大桥为例,用ANSYS有限元分析软件,对其成桥状态下的结构自振特性进行了分析.计算结果表明,该桥具有较好的抗震性能,但需要通过节段模型风洞试验检验其颤振稳定性.     

Wind effect of a twin‐tower super high‐rise building with weak connection

An analysis and estimation method of multibalance synchronous test is established to study the wind effect of a complex super high‐rise building with weak connection. First, the frequency domain method is applied to deduce the calculation process of the wind effect of the multitower structure on the basis of the high frequency force balance (HFFB) technique. Then, the synchronous force test of HFFB is conducted on a twin‐tower super high‐rise building connected by a bridge. The wind‐induced response and loads and the interference effect between the two towers are analyzed based on the wind tunnel test data. The displacement correlation between the towers and the relative displacement of the multitower structure are investigated. Results show that the maximum and minimum relative displacements in the along‐bridge direction are 0.26 m in the along‐wind direction and ?0.26 m in the crosswind direction, respectively. The channeling effect formed by the surrounding buildings is the main cause of the maximum cross‐bridge displacement. The influence of the correlation between the two towers can be ignored for the along‐bridge relative displacement. The results of the HFFB and high‐frequency pressure integral test agree with each other, thereby indicating the reliability and effectiveness of the proposed method.     

基于完全气弹模型风洞试验输电塔风荷载识别

按照基本缩尺律,设计、制作了输电塔完全气弹模型,并通过大气边界层风洞试验,测试了多种风速、风向条件下输电塔的位移与加速度响应。通过加速度响应功率谱识别出结构的固有频率,并采用Hilbert-Huang变换结合随机减量法识别出包含结构阻尼和气动阻尼的结构总阻尼。利用虚拟激励法建立了由测点位移响应来识别结构顺风向、横风向风荷载的方法。由识别出的风荷载谱曲线,利用非线性最小二乘法拟合得到输电塔顺风向、横风向风荷载经验公式。研究结果表明：风洞试验设计、制作的输电塔气弹模型,测试得到的模型第1阶自振频率与有限元计算结果吻合较好;横风向荷载谱形态与顺风向的相比有较大的区别,其能量分布在一个更宽的频带上,其峰值频率是顺风向的3～4倍。     

澳門-氹仔第三桥的斜拉桥风载动力特性分析

由于桥址处台风多、风况复杂,为保证桥梁抗风安全,对主桥斜拉桥成桥状态、施工最大单悬臂状态进行了动力特性计算、风载内力计算和抖振响应计算,并给出了相应的计算结果。结果表明该桥无论是成桥状态还是施工状态均具有足够的抗风稳定性。     

大跨径拱肋吊装过程中扣塔的稳定性分析

介绍了在结构稳定性分析中有限元法的分析原理,以某特大桥为工程背景,对吊装过程中的扣塔稳定性进行了有限元分析,得出了吊装施工过程中扣塔的屈曲临界荷载系数和失稳模态,为同类桥型的施工控制提供了理论基础。     

新型复合结构倒Y塔架空气动力不稳定振动风洞试验研究

天津慈海桥是一种将斜拉桥和摩天轮合二为一的复合结构,为了综合理解和判断结构在风力作用下的动力特性,研究由于空气尾流作用引起的振动现象,建立复合结构的3种风洞试验模型。通过风洞试验测量,得到不同的风向与桥轴方向角度工况下的风力系数,并通过试验观察及数据分析对空气尾流振动现象发生的情况进行判断。试验及分析结果表明,在整体结构完成后不会发生空气不稳定振动现象,但在施工中只有主塔的情况下,如果共振风速与设计风速相近时,存在空气不稳定振动现象,可采取倒Y塔架间设置隔板的措施提高主塔的刚度,进而避免空气不稳定振动现象的发生。     

东莞第一国际项目连体双塔高层建筑的风荷载

通过风洞试验研究了截面为切角曲边三角形的连体双塔高层建筑的风荷载特性,并作单塔试验比较。将风压沿截面进行积分求出沿坐标轴方向的合力,然后反算为沿坐标轴方向的整体体型系数。结果显示:风压沿高度变化不大,整体体型系数沿高度递减。单塔最大体型系数对应风向角比坐标轴偏15°。双塔连线方向(x向)体型系数上游塔略小于单塔情形,下游塔基本为零,y向的体型系数略小于单塔y向的,连体部分体型系数达2.2。根据规范和试验结果,提出了类似工程合理的取值建议。     

Experimental and semi-analytical studies on the aerodynamic forces acting on a vehicle passing through the wake of a bridge tower in cross wind

In a strong cross wind, sudden change of wind velocity in the wake of a bridge tower causes rapid change of the aerodynamic forces acting on a passing vehicle, which may result in an accident due to driver’s miss-steering. This paper discusses and clarifies the transient characteristics of the aerodynamic forces acting on a ground vehicle in high cross winds when the vehicle is passing through the wake of a bridge tower using a scale model in a wind tunnel experiment. Various parameters, such as wind speed and direction, type of vehicle and tower, were considered in the study.The side force and yawing moment acting on the vehicle model were measured using strain gauges on the model-supporting system that was designed as two cantilever beams with high stiffness. Characteristics of the aerodynamic forces acting on the vehicle model were described and the prediction methods that considered the wind non-uniformity acting on the vehicle were proposed and their applicability was studied.For the side force, the quasi-steady forces based on the relative wind velocity acting at the c.g. of the vehicle model generally agreed with the measured results. Changes in side force were found to be more or less proportional to the wind speed distribution. For the yawing moment, however, the quasi-steady prediction did not agree well with the measured results due to the wind non-uniformity. Therefore, a modified prediction method was proposed that included the effects of wind non-uniformity in a simple manner. Depending on the case, the agreement of prediction and measured results was still not good quantitatively, but from the qualitative point of view, the proposed prediction method could reproduce the yawing moment peak that was similar to the experimental results.     

Comparisons of bridges flutter derivatives and generalized ones

The causes of the nonlinearity of self-excited aerodynamic force of bridge are interpreted from such two aspects as amplitude and wind velocity. The concept of “generalized flutter derivative” is proposed, and its physical meaning is illustrated. The graphs of the generalized flutter derivatives of plate and Sutong Bridge section model are plotted. The characteristics of all generalized flutter derivatives are compared and analyzed, and their superiorities are verified. The results indicate that the physical meaning of generalized flutter derivatives are more explicit compared to the traditional ones. It is more convenient to understand the nonlinearity properties of self-excited aerodynamic force of bridge according to the generalized flutter derivatives graphs with the wind velocity as the horizontal coordinate.