台风作用下超大跨度斜拉桥抖振响应现场实测研究

大跨度桥梁抖振响应的现场实测研究,对桥梁风工程的发展具有重要意义。2008年7月,"凤凰"台风突袭江苏,本文以遭受该台风袭击的世界第一大跨斜拉桥——苏通大桥为工程背景,综合利用现场实测风特性数据和该桥结构健康监测系统(SHMS)中加速度传感器实时采集的数据,采用频谱分析和统计方法对超大跨度斜拉桥的抖振响应进行了现场实测案例研究,主要研究内容包括桥址区的强风特性分析、主梁和拉索振动响应特性分析、振动与风速的关系、上下游拉索的振动特性对比以及斜拉索阻尼器的减振效果分析等。研究结果可用于验证现有抖振理论分析方法的可靠性,同时可为超大跨度斜拉桥的抗风设计提供参考。     

大跨径桥梁非平稳抖振响应过程数值模拟方法研究

大跨度桥梁的抖振频率与跨度场景的风场变量因素有关。为了更加准确地获得大跨度桥梁抖振特征,需要对其抖振响应过程进行分析。但是,由于桥梁所处场景的风场环境不同,想要采集多组桥梁的抖振响应数据十分困难。结合桥梁抖振响应的非平稳性,结合多种风场场景模拟结果分析桥梁抖振响应过程,因此提出大跨径桥梁非平稳抖振响应过程数值模拟方法。首先对大跨度桥梁风场数据进行分析计算,获得风场特征函数量,在风场变量模拟场景下,对大跨度桥梁非平稳抖振响应过程相关量进行计算,实现对大跨度桥梁非平稳抖振响应过程数值的全场景模拟。通过选取实体桥梁数据来对提出方法的准确性进行论证,通过数据拟态还原方法分别对桥梁的风场模拟数据、跨度位移数据以及抖振数据三方面进行数据对比分析,通过与实际数据进行对比,得出提出方法具有准确性、可行性的实验结论。     

大跨度斜拉桥抖振时域分析理论实例验证及影响因素分析

为了进行对现有抖振时域分析理论的实例验证,在杭州湾跨海大桥全桥模型风洞试验中,不仅对抖振位移进行了测量,还通过在塔根布设动态应变片完成了桥塔内力的实测。采用考虑桥塔风效应的抖振时域分析方法计算出大跨度斜拉桥的抖振响应,气动导纳分别取1和Sears函数,采用等效风谱法计算考虑气动导纳修正的抖振力,对风洞的空间相关性进行了测量研究并分别探讨了Sears气动导纳函数及空间相关性对抖振响应的影响,与风洞试验结果进行了对比分析。分析比较表明:当衰减因子l取实测值12.9时,风洞试验结果都介于导纳为1和导纳为Sears函数所计算的抖振响应之间,导纳取Sears函数将得到偏不安全的结果;空间相关系数对抖振响应影响较大,采用风洞实测的相关系数得到的抖振响应比采用《公路桥梁抗风设计指南》建议相关系数所得抖振响应小13%￣22%。通过杭州湾跨海大桥的实例验证发现现有抖振时域分析理论并不能完全精确预测桥梁的抖振响应,抖振响应计算值与试验值存在一定的差距。     

随机车流下连续梁桥冲击系数谱实测与分析

对1座连续梁桥在开放交通下的动响应进行了现场实测和分析。对试验桥的调查、测试和分析主要包括:路面粗糙度实测及功率谱密度分析、自振特性测试与分析、开放交通下的交通荷载观测以及相应的桥梁动位移和加速度实测。为了根据实测桥梁动位移响应确定冲击系数,采用低通Butterworth滤波器对实测动位移响应的动力部分进行滤除而保留了静力极值。此外,研究了冲击系数与车质量、车速之间的关系,采用K-S检验法分别按极值Ⅰ型分布类型对实测冲击系数进行了分布拟合检验,并基于统计方法确定了该桥的冲击系数,最后与各国规范确定的冲击系数进行了对比。结果表明:冲击系数随着车质量的增加而减小,冲击系数随着车速的增加在一个较宽的范围内整体上逐渐增大,实测冲击系数谱基本上服从极值Ⅰ型分布,采用统计方法确定的冲击系数小于很多国家规范确定值。     

桥梁抖振反应谱研究

传统的抖振分析方法或者过于复杂而不便于工程应用 ,或者忽略了过多的因素而精度不高。根据R .H .Scanlan的桥梁颤抖振分析方法并引入气动导纳的影响 ,采用数值积分的结果 ,得到了大跨度桥梁抖振反应谱的实用公式 ,并提出了一种计入背景响应的实用方法。还研究了背景响应的变化规律 ,并进行了工程实例分析。分析结果表明 :背景响应在很多情况下不可忽略 ,现给出的实用公式具有较高的精度 ,可用于大跨度桥的梁抖振响应估算     

自然环境温度作用谱和混凝土温度响应谱

通过理论推导与现场实测研究了自然环境温度变化和混凝土温度响应规律;基于自然环境温度变化趋势,采用分段拟合法建立了自然环境温度作用谱模型;基于自然环境温度作用谱和混凝土温度响应,建立了混凝土温度响应谱模型.通过现场测定典型天气温度波动规律,验证了自然环境温度作用谱和混凝土温度响应谱模型的合理性及精度.结果表明：自然环境温度变化呈周期性波动,自然环境温度作用谱模型可描述自然环境温度波动规律及其特征;基于该模型所绘制曲线与自然环境实测温度吻合较好且精度较高.混凝土温度响应谱模型亦可表征其内部的温度变化趋势,理论拟合曲线与实测温度吻合.混凝土温度响应谱与自然环境温度作用谱之间的异同主要表现为周期相等、时间滞后和温度波动幅值衰减等方面.     

风场长期观测与数据分析

为了进行风场现场实测研究,对1组风速采集设备的风场长期观测结果进行了分析.基于现场实测数据,得到了10 m和20 m高度处10 min平均风速年最大值的风玫瑰图;选取了总时长达75 h的18组大风记录,计算了湍流强度、风剖面参数、剪切波速;拟合了风速谱并与Von Karman谱、欧洲规范谱进行了比较;统计了主风方向湍流积分尺度;对风场的垂直相关性进行了分析.结果表明:实测湍流强度较经验值略大;风剖面参数的离散性大,而且均值与荷载规范取值存在一定差异;实测大风记录拟合风速谱与Von Karman谱和欧洲规范谱吻合良好.     

湍流风速谱有效模态的POD分析法

大跨度桥梁和极端天气的出现,使得桥梁的抖振问题备受关注。然而抖振分析的最重要参数之一是风速谱,传统的抖振分析方法认为所有频率的风速会激发桥梁的抖振响应,针对此问题本文提出了基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition)方法对风速谱分解。以某斜拉桥为算例通过对风速谱的分解研究了其有效参与模态对桥梁抖振的贡献。研究发现并不是所有频率的风速谱会激发桥梁的抖振响应,其响应与结构的自振模态和风速谱的有效湍流参与系数有关。     

CFD方法的大跨度桥梁抖振荷载

采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)方法替代传统的桥梁节段模型风洞试验,改进了大跨度桥梁抖振力计算方法。在香港青马大桥精细有限元模型基础上,模拟周围风场对主梁桥板压力分布,计算节点抖振力,求解局部应力响应,为桥梁抖振疲劳分析和结构健康监测打下了基础。     

高墩连续刚构桥线性抖振时程响应分析

采用Miyata T准定常气动力模型,通过双变量泰勒展开,导出12阶单元气动阻尼矩阵和气动刚度矩阵,并在ANSYS中以Matrix27单元输入来考虑桥梁结构风致抖振自激力模型,结合桥址处脉动风场的模拟,对某连续刚构桥最大双悬臂阶段和成桥运营阶段进行线性抖振时程响应分析。最后对脉动风荷载作用下的结构响应值和静阵风荷载作用结果进行了比较,得到脉动增大系数值。     

上海长江大桥风-轨道车辆-桥耦合振动及抗风行车准则研究

为确定上海长江大桥轨道交通车辆的抗风行车准则,将风、车、桥三者视为一个交互作用、协调工作的耦合动力系统,通过风洞试验测定主梁及车辆的气动参数,采用自主研发的桥梁结构分析软件BANSYS进行风-车-桥耦合动力分析计算。计算结果表明:桥梁和车辆的响应随风速的增大而增大,风荷载对行车的安全性和舒适性有很大影响。当风速小于20m/s时,车辆可按设计车速90km/h运行;当风速在20～30m/s之间时,车速不应大于60km/h;当风速超过30m/s时,应封闭轨道交通。     

深水高桩承台钢吊箱在风荷载作用下的动力性能分析

采用子空间迭代得到了桥墩施工中常用的钢吊箱结构的各阶频率和振型,并采用谱分析方法分析其在脉动风荷载作用下的动力响应。分析结果表明,脉动风压对结构动力响应的影响较小,建议在钢吊箱设计中采用风振系数来考虑脉动风对结构的影响。     

桥位风场特性研究方法探讨

在桥梁设计过程中,特别是初步设计阶段,准确获得大跨径桥梁桥位风场特性参数非常重要。本文以临猗黄河特大桥桥位处风场特性研究为背景,采用数值模拟和风场实测方法对风场特性进行研究。结果发现,风场实测位置处10m、30m、50m、80m高度的平均风速分别为2.7m/s、3.4m/s、3.9m/s、4.4m/s,数值模型对应位置处相同高度的风速计算值分别为2.90m/s、3.24m/s、3.55m/s、3.94m/s,误差分别为7.4%、-4.7%、-9.0%、-10.5%,计算结果满足工程需求。对处于复杂地形特别是峡谷谷口的大跨径桥梁,在初步设计阶段通过数值模拟方法获得桥位处风速数据的方法具有可行性。     

Dynamics of wind-rail vehicle-bridge systems

An analytical model for dynamics of wind-vehicle-bridge (WVB) systems is presented in this paper in the time domain with wind, rail vehicles and bridge modeled as a coupled vibration system. The analytical model considers many special issues in a WVB system, which include fluid-solid interaction between wind and bridge, solid contact between vehicles and bridge, stochastic wind excitation on vehicles and bridge, time dependence of the system due to vehicle movement, and effect of bridge deck on vehicle wind load and vice versa. The models of wind, vehicles and bridge are presented with wind velocity fluctuations simulated using the simplified spectral representation method, with vehicles modeled as mass-spring-damper systems, and with bridge represented by a finite element model. The interactions between wind and bridge are similar to those considered in conventional buffeting analysis for long span bridges. In considering difficulties in measuring aerodynamic coefficients of moving vehicles on bridge deck, the cosine rule is adopted for the aerodynamic coefficients of moving vehicles to consider yaw angle effect, and expressions of wind forces on moving vehicles are then derived for engineering application. To include mutual effects of wind loads, aerodynamic parameters of vehicles and bridge deck are measured, respectively, using a composite section model test and a specially designed test device. The dynamic interaction between vehicle and bridge depends on both geometric and mechanical relationships between wheels of vehicles and rails on the bridge deck. The equations of motion of the coupled WVB system are derived and solved with a nonlinear iterative procedure. A cable-stayed bridge in China is finally selected as a numerical example to demonstrate dynamic interaction of the WVB system. The results show the validity of the present model as well as wind effects on the rail vehicles and the bridge.     

紊流积分尺度对典型桥梁断面静力#br# 系数影响规律的风洞试验研究

为研究紊流积分尺度对典型桥梁断面静力系数影响的规律,文章通过在风洞中模拟紊流对典型桥梁断面进行测力试验。借助尖塔,格栅等方式模拟紊流的传统试验方法,难以模拟实际风场中的大紊流积分尺度。文章采用自主研制的主动控制翼栅,有效增大试验中风场的紊流积分尺度,通过控制主动控制翼栅的振动频率产生不同紊流积分尺度的风场。对单箱梁、双箱梁、桁架梁、边主梁、边箱梁五种典型桥梁断面在紊流下和均匀流下的静力系数进行了测定,其中紊流由主动控制翼栅产生。将五种典型桥梁断面在紊流下的静力系数和均匀流下的静力系数进行对比分析,结果表明在大紊流积分尺度下,阻力系数随紊流积分尺度增大而增大,且小于均匀流下的阻力系数值。结果也表明,在均匀流来测定桥梁断面静力系数对于实际工程应用是偏于安全的考虑,因此建议进行节段模型测力试验时,在均匀流中进行。     

考虑雷诺数效应的斜拉索气动力试验研究

由于大跨度斜拉桥斜拉索的风荷载在全桥风荷载中占很大比重,因此准确掌握斜拉索的风荷载对大桥的设计工作是十分重要的。通过风洞试验,测试斜拉索的阻力和升力,得到力系数随雷诺数的变化规律,证实在临界雷诺数区域有平均升力的产生,其最大升力系数远大于此雷诺数时对应的阻力系数,忽略升力的存在可能导致斜拉索风荷载的计算结果偏小;将阻力系数和升力系数合成为合力系数,并与规范值比较,发现只有当雷诺数超过一定数值之后,规范的算法才是安全的,雷诺数小于此值尤其是在临界雷诺数区域,合力系数比规范值超出较大。针对苏通长江公路大桥和南京长江第二大桥,利用试验结果和规范值,对斜拉索的风荷载分别进行计算分析,发现利用本文方法计算的合力并不随风速的增大单调增长,而是在一定的风速时取得极大值;利用静阵风风速计算风荷载,按桥规计算的结果在某些情况下偏小,建议规范适当考虑气动升力对斜拉索风荷载的贡献。     

Praktisches Verfahren zur Bemessung von Brückenseilen und ‐hängern zur Vermeidung Regen‐Wind‐induzierter Schwingungen

A semi‐empirical method for the design of bridge cables and bridge hangers in order to avoid rain‐wind induced vibrations. Rain‐wind induced vibrations have been widely studied during the last decades. Today it is desirable to use the experience gathered in this filed in order to develop a practical design procedure offering both security and economy. After a restricted review of some analytical models, this paper points out the need for a semi‐empirical method if the complexity of this design procedure has to be kept at its minimum. Based on measured data collected during field tests and wind tunnel experiments, a new proposal is suggested.     

Drag loading of circular cylinders inclined in the along-wind direction

The drag wind loading on the stay cables of long cable-stayed bridges is discussed based on two recent long-span cable-stayed bridge designs. For wind along the bridge, the available design literature on cable drag coefficients either do not cover the actual cable configurations or are too conservative. Therefore, some simple design values had to be devised. These design values for the cable drag coefficient are then compared with measured drag coefficients for various types of cable surface treatments introduced to suppress rain-wind vibrations. A modified expression depending on cable diameter and inclination is also proposed and the applicability of the expression is discussed.     

Wind induced dynamic response of the Wye bridge

As part of the research effort to improve the understanding of the effect of wind on bridges, the Transport and Road Research Laboratory (TRRL) has measured the wind-induced dynamic response of the 235 m span cable stayed box girder bridge that carries the M4 motorway over the River Wye. Measurements are presented which were made during the winter months of 1977 and 1978, using automatic recording equipment developed at TRRL.

The main wind-induced vibration frequency measured was at 0.46 Hz, which corresponds to the first bending mode. The response occurs mainly when the wind speed is in the range 7–8 m/s and the direction is close to normal to the bridge. This agrees with wind tunnel section tests but the maximum amplitudes predicted in the laboratory have not been attained to date. The strong dependence of vibration amplitude on wind speed, showing a peak in the range 7–8 m/s is characteristic of vortex shedding excitation. The problem of predicting the likelihood of the bridge response from wind speed data is discussed.

Finally, the effect on the fatigue life of the structure is discussed. It is shown that it is most unlikely that wind-induced oscillations will contribute to a significant shortening of the fatigue life of the bridge.