半开口分离双箱梁涡振性能及其气动控制措施研究

基于某主跨820m混合梁斜拉桥,利用刚体节段模型风洞试验结合计算流体动力学(CFD)数值模拟,系统研究了半开口分离双箱梁的涡振性能并进行一系列气动控制措施的探讨。该断面成桥状态在+3°或+5°风攻角下会产生大幅竖弯涡振,来流上游侧检修道栏杆处的气流分离起主导作用,检修车轨道对竖弯涡振有放大作用,这主要源于其后方连续产生的小尺度漩涡在断面下部开口内汇聚,形成了能量集中的大尺度漩涡。采用不同形式的检修道栏杆或改变风嘴角度对竖弯涡振控制效果不理想,将风嘴向外延伸可以有效降低振幅,但要保证检修道栏杆不移动,工程实用性较差。下中央稳定板基本没有抑制效果|水平翼板和抑流板都能有效控制竖弯涡振,其中水平翼板可以延缓漩涡能量的集中降低涡振振幅,但不能完全抑制振动,而且大攻角下会延长涡振风速区间|抑流板则直接通过抑制断面上表面漩涡的形成而有效控制涡振发生。     

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。     

基于TMD的钝角风嘴钢箱梁涡激振动控制研究

某大跨度钢箱梁悬索桥主梁风嘴短而钝,0°、+3°及+5°攻角下出现了明显的竖向涡激振动。文章提出通过TMD方案抑制主梁竖向涡振,给出了最优参数,并对TMD抑制效果进行了评价;对比了采用TMD后主梁的舒适度。结果表明,风攻角的变化会使涡振锁定风速和振幅均产生变化;通过迪克曼指标和杰奈威指标评价了对比了采用TMD前后主梁上行人的舒适度,表明采用TMD不仅可以抑制主梁竖向涡振同时可以满足行人的舒适度要求。     

大跨度分体箱梁桥梁涡振性能及其控制

因其相比传统闭口箱梁更为优越的颤振稳定性能,分体箱梁在大跨度桥梁建设中逐渐开始得到应用。以国内已建成的3座采用分体箱梁的大跨度桥梁为背景,通过大尺度节段模型风洞试验对分体箱梁的涡激共振性能进行研究,发现各断面均发生振幅较大的涡激共振。基于粒子图像测速技术的分析表明,在中央开槽处的大尺旋涡很可能是引起大幅度涡振的主要原因。为了解决分体箱梁桥梁的涡激共振问题,尝试和提出包括导流板、隔涡板和可调风障在内的多种气动控制措施,并比选出最佳控制方法。     

风嘴对流线形钢箱梁涡振性能影响试验和CFD研究

为了研究风嘴对流线形钢箱梁涡振性能的影响,以顺德斜拉桥为工程背景,通过节段模型测振风洞试验研究流线形钢箱梁涡振性能,研究发现：原设计断面在成桥状态出现超过规范限值的竖弯涡振和扭转涡振;为提高风洞模型试验效率,首先采用CFD的方法分析了62°、50°和40°风嘴对断面流场特性的影响,结果表明小角度风嘴可以进一步强化断面流线形、降低迎风侧的负压力并改变断面漩涡的规模和位置。随后通过主梁节段模型风洞试验验证了40°风嘴的气动优化措施能较好地消减涡振,该研究可为流线形钢箱梁涡振性能研究提供参考。     

风嘴几何参数对双边箱式Π型梁涡振性能的影响

为研究风嘴几何参数对双边箱式Π型梁涡振性能的影响,设计了包括原断面在内的4类试验组合,共计14种试验工况,通过节段模型测振试验,测得不同工况下Π型梁涡振振幅随试验风速的变化,分析了0°风攻角下不同风嘴长度和尖端高度对双边箱式Π型梁涡振振幅、锁定区间长度和起振风速的影响。采用SST k-ω模型进行计算流体力学分析,模拟了原断面和不同风嘴措施下双边箱式Π型梁断面周围的流场特性,结合静态绕流涡量演化图探讨了不同风嘴措施的涡振抑制机理。结果表明:多数风嘴措施能有效抑制双边箱式Π型梁的竖弯涡振,同时降低其扭转涡振振幅; 尖端高度与梁高之比为5/6时,该Π型梁的涡激共振被完全抑制,涡振性能表现良好; 增大风嘴长度和令风嘴尖端朝下有助于减小断面的涡振振幅和锁定区间长度,提高起振风速,对该Π型梁的抑振效果更显著; 双边箱式Π型梁原断面涡激共振明显,安装风嘴能减弱上表面气体的流动分离,减小漩涡尺度,有利于抑制涡振; 双边箱式Π型梁下表面周期性脱落并移动的漩涡是其扭转涡振的驱动性因素。     

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。     

斜拉桥钢箱梁涡振性能风洞试验研究

针对钢箱梁斜拉桥,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。试验结 果表明,该桥在风攻角α=0°、+3°、-3°下均发生了明显的扭转涡激振动,其振幅在容许范围内;在α=+3° 下发生了较大竖向涡激振动,且竖向涡振振幅超过了容许值。最后,对该桥提出了抗风性能的改善措施。     

基于风洞试验及大涡模拟的宽体扁平箱梁涡振特性研究与优化

基于1∶60节段模型风洞试验,研究了桥面附属构件对宽高比为12的宽体扁平箱梁涡激振动性能的影响。研究发现,成桥态主梁在正攻角(+5°,+3°)下发生了显著的竖弯和扭转涡振,而提高人行护栏透风率或内移检修车轨道均可同时降低两种涡振的振幅,且提高人行护栏透风率还可缩短两种涡振的风速锁定区范围。采用三维大涡模拟(3D LES)进行了施工态和成桥态的静态绕流计算,发现不合理附属构件将使箱梁上下表面均形成大范围流动分离,在迎风侧人行护栏、两道检修车轨道三处分离点产生的漩涡各自以不同频率向尾流脱落,从而诱发较强的涡振响应。     

斜拉索上水线气动性能的大涡模拟研究

上水线在斜拉索上表面的形成是拉索发生风雨激振的关键因素,目前上水线的形成机理尚不清楚,现有风洞试验方法难以研究作用在上水线上的风致表面摩擦力。采用大涡模拟方法,针对带上水线拉索模型,研究水线处在不同位置时,作用在拉索和上水线上的平均气动力特性,得到作用在上水线上的风致压力和风致表面摩擦力随水线位置的变化规律。研究表明:上水线受到的摩擦气动力与压力气动力为同一量级,在研究水线形成机理时不可忽略;在一定的来流风速范围内,摩擦气动力和压力气动力的合力可使上水线稳定在使拉索气动力发生剧烈变化的位置;在过小的风速下,水线不会稳定在拉索表面;而过大的风速会使水线远离使拉索气动力发生剧变位置。首次得到上水线摩擦气动力系数随水线位置角变化的曲线,有助于建立更准确的水线运动微分方程和更精细的拉索风雨激振理论分析模型。     

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。     

双幅并列T型刚构公路桥涡振性能的风洞试验研究

文章针对某市政桥梁,采用大比例尺全桥气弹模型,对其T型刚构的涡振性能进行了风洞试验研究。为考察布置紧凑两幅间的气动干扰,在T型刚构气弹模型之外,特别设置了其引桥及与其并幅桥梁的刚体模型,并分别在均匀流与紊流场,就T型刚构分别处于迎风及背风侧的条件下,详细考察T型刚构主梁在各设定风偏角下的涡振响应。研究结果表明:仅在正交均匀流高风速条件下,处于背风侧的右幅T构主梁发生明显的竖向涡激振动,而在其他试验工况下则再未发生。表明了对于紧凑布置的、双幅并列市政桥梁,双幅间的气动干扰效应及风向、紊流度对其竖向涡激振动性能影响显著。     

钢桁拱肋三分力系数及涡振性能风洞试验研究

以国内某大跨度公路钢桁拱桥为研究背景,对钢桁拱肋静力风荷载及涡振性能进行了研究。通过节段模型风洞试验,测试了该桥1/4跨、1/2跨处拱肋截面三分力系数及其涡振性能,研究了三分力系数沿拱肋高度的变化规律;基于试验结果,推导了阻力系数沿拱肋高度变化的经验公式,计算了1/4跨、1/2跨处拱肋截面的斯托罗哈数。结果表明:钢桁拱肋的三分力系数受风攻角影响较小,其中升力系数、升力矩系数基本不随高度变化,阻力系数沿高度的变化规律可近似使用指数函数描述;钢桁拱肋的涡振性能良好,不同风攻角下的斯托罗哈数均较小、涡振发生风速较高,涡振性能受阻尼比的影响较大。     

移动模架施工铁路箱梁质量控制措施研究

甬台温铁路全线约2000孔简支箱梁需采用移动模架制梁技术,如此规模在铁路建设史上尚属首次。文章在简要介绍移动模架施工优缺点的基础上,提出大规模条件下移动模架制梁质量的控制关键技术问题,并从施工技术角度分析了移动模架制梁质量控制的要点,同时就关键技术问题进行了讨论,为今后类似工程提供有益的借鉴。     

海洋独立支撑钢管桩的涡振研究

对在水流、波浪力作用下海洋独立支撑结构所产生的涡振进行非线性研究.该研究的目的是通过改变独立支撑结构自振频率来控制结构产生的涡振,以避免结构产生涡振破坏.提出涡振概念;分析独立支撑结构1产生涡振条件、作用荷载、涡振频率以及振动方程的解.结果表明通过改变独立支撑结构EI值或采取一些特殊措施,增加结构的自振频率,来避免其在施工过程中产生的涡振破坏,对实际工程具有重大理论价值.     

钢管桩加支撑前后涡振比较研究

针对最近几年来,我国几座代表性大桥在施工过程中钢管桩断裂的急需解决问题,对在水流、波浪力作用下钢管桩搭设支撑前、后所产生的涡振进行研究。采用伽辽金法分别对2种支撑体系的振型、响应、自振频率、临界弯矩、临界应力进行计算比较,同时对2种支撑体系所对应的大波数区、小波数区频率进行比较分析。通过比较分析、计算2种支撑体系的振动情况,得出钢管桩在支撑前更容易产生涡振破坏的结论。结果表明通过改变钢管桩 EI 值或采取一些特殊措施,增加桩的自振频率,来避免其在施工过程中产生的涡振破坏,对实际工程具有重大理论价值。     

大攻角来流作用下扁平钢箱梁涡振性能风洞试验优化研究

大攻角来流情况下,流线型箱梁的气动特性会发生显著变化,为研究大攻角来流作用下扁平钢箱梁涡激振动性能,以某流线型扁平钢箱梁断面为研究背景,基于1∶40节段模型风洞试验,研究了检修车轨道位置和检修车轨道导流板设置、桥面防撞护栏类型、人行道防撞护栏类型以及阻尼比和攻角等对加劲梁涡激振动性能的影响。研究结果表明,在大攻角来流作用下,改变人行道护栏类型对竖向和扭转涡激振动响应具有明显的影响;桥面防撞护栏对加劲梁涡振响应影响较小;背风侧检修车轨道是引起加劲梁涡激振动的主要影响因素;检修车轨道内侧导流板能够有效的抑制竖向涡振,外侧导流板能减小扭转涡振的风速区间。     

基于CFD的高速铁路混凝土箱梁气动特性研究

我国高速铁路正在迅速发展,其抗风性能是安全性的影响因素。为研究高速铁路混凝土箱梁的气动特性,文章以我国铁道部门通用的标准跨度为32 m、时速为250 km/h的无砟轨道简支箱梁作为研究对象,采用CFD数值模拟的方法计算了主梁在不同风攻角来流作用下的三分力系数,并计算斯托罗哈数来评价主梁的涡振性能。研究结果表明:随着风攻角的增大,升力系数逐渐增大,阻力系数先减小再增大,力矩系数始终在0左右徘徊。主梁的斯托罗哈数不受风速影响。     

箱梁竖向预应力损失影响机理及控制措施研究

混凝土箱梁桥腹板竖向预应力损失会造成腹板开裂。竖向预应力损失与施工工艺、机具、控制精度等因素有关。通过对预应力损失5个分项的计算分析,讨论各个分项对腹板竖向预应力损失的贡献值。采用有限元模型展开数值分析,研究了竖向预应力损失对箱梁各个部分的影响机理。得出以下结论:(1)对竖向预应力损失影响最大的是锚具变形和钢筋回缩损失,预应力筋与管道摩擦、混凝土弹性压缩、钢筋松弛、混凝土收缩徐变造成的竖向预应力损失较小;(2)在等截面箱梁中,梁高越小,竖向预应力损失对腹板的受力影响越大;在变截面箱梁中,竖向预应力损失对悬臂端部腹板受力影响较大,对悬臂根部影响较小;(3)竖向预应力控制的重点是优化张拉锚固机具,改进施工工艺。