大跨度箱形钢拱肋气弹模型涡振试验研究

通过风洞试验研究了大跨度矩形钢拱肋气弹模型在均匀流场和紊流场中3种攻角(-3°、0°、+3°)、多种偏角(0°～90°)条件下的涡振响应.研究结果表明:均匀流场中,发现了稳定的一阶反对称竖弯和对称竖弯涡振,紊流场中未发现明显稳定的涡振;均匀流场中,一阶反对称竖弯涡振振幅很小,风速较低,锁定区也很窄;一阶对称竖弯涡振振幅很大,风速较高,锁定区也很宽;1/4断面涡振振幅大于拱顶断面涡振振幅;可以认为当偏角大于10°时,矩形拱肋不会出现涡振.     

带悬挑人行道板流线型箱梁涡振性能研究

为了研究带悬挑人行道板流线型箱梁断面涡振性能,以某大跨悬索桥为工程背景,进行了涡振性能影响因素及气动优化措施的系列节段模型风洞试验。分析了来流攻角、检修轨道等对断面涡振性能的影响,研究移动检修轨道、附加轨道导流板以及底板竖直稳定板等气动措施的制振效果。结果表明此类断面对风攻角较为敏感,随攻角增大涡振性能逐渐变差,同时涡振幅值随阻尼增大呈非线性加速衰减趋势。检修轨道是此种断面形式的涡振敏感构件,检修轨道向箱梁底板中央移动能明显改善涡振性能;轨道附加导流板能进一步抑制涡振振幅,导流板越宽效果越明显;设置斜腹板导流板对改善所述的主梁断面的涡振性能效果不明显。     

Ⅱ型叠合梁斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

为研究II型开口截面主梁的涡振性能并提出合理性控制措施,以某跨海叠合梁斜拉桥为研究对象,进行一系列节段模型风洞试验。研究表明,II型开口截面主梁在低风速下易发生涡激共振,且该桥涡振现象在阻尼比1%以下范围内均存在;桥面防撞栏杆及检修道护栏采用圆截面形式有利于减小涡振振幅;改尖角度风嘴能显著抑制涡激共振,且风嘴角度越小控制效果越好;桥梁断面底部双主肋转角处设置水平隔流板能有效减小甚至消除涡激振动,在一定范围内增加板的悬挑宽度对控制效果有利。     

Π型叠合梁斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

为研究Π型开口截面主梁的涡振性能并提出合理性控制措施,以某跨海叠合梁斜拉桥为研究对象,进行一系列节段模型风洞试验。研究表明,Π型开口截面主梁在低风速下易发生涡激共振,且该桥涡振现象在阻尼比<1%以下范围内均存在;桥面防撞栏杆及检修道护栏采用圆截面形式有利于减小涡振振幅;改尖角度风嘴能显著抑制涡激共振,且风嘴角度越小控制效果越好;桥梁断面底部双主肋转角处设置水平隔流板能有效减小甚至消除涡激振动,在一定范围内增加板的悬挑宽度对控制效果有利。     

边主梁叠合梁涡振性能气动优化措施风洞试验研究

以某大跨双边主梁钢混叠合梁斜拉桥为工程背景,通过风洞试验研究钝体主梁断面的涡振性能并提出合理的气动优化措施。试验发现边主梁叠合梁开口截面主梁在低风速下容易发生涡激共振,且随攻角由正变负涡振性能愈发不利。气动措施优化结果表明边主梁底部设置外侧设置水平稳定板比在内侧设置水平稳定板效果明显。而梁底竖向稳定板对竖向涡振起到一定抑制作用,但是却导致扭转涡振加剧;检修道栏杆顶部抑流板的制涡效果优于在梁底设置水平稳定板,说明主梁断面上部构造对其涡振性能影响更显著。而在边主梁两侧设置风嘴,其制涡效果最好,涡振幅值抑制率达80%。     

大跨度钢箱桁组合连续梁桥涡振性能研究

主梁的大幅涡振一直是困扰跨海连续梁桥的主要病害之一,但对箱桁组合断面主梁的涡振研究较少。拟建的澳氹第四跨海大桥为一座变截面非对称钢箱桁组合连续梁桥,主梁宽度近50 m,且桥面附属结构呈非对称分布,气动外形极为复杂。该文采用1∶70缩尺比的跨中主梁断面节段模型风洞试验研究了澳氹四桥的涡振性能,对比分析了风攻角、紊流度、桥梁阻尼比、附属结构气动外形等因素对主梁断面涡振性能的影响。并通过将外侧栏杆、电缆箱、供水管、风障及防撞栏杆等桥面附属结构拆解,探讨了主梁涡振的原因。进一步比较了中跨跨中(L/2)及三分之一跨(L/3)两种不同断面的涡振性能差异。研究表明：宽幅钢箱桁组合梁断面容易在负攻角下发生大幅涡振,且不同位置两种断面涡振性能差异显著,高耸桁架的遮挡效应对该类桥梁涡脱特性影响较大;非对称横断面形式对涡振性能影响较大,减小外侧栏杆透风率以及采用布置位置合理的下扰流板可有效减小涡振幅值。基于风洞试验数据识别了涡振尾流振子模型的气动参数,准确重现了涡振幅值-风速关系曲线。     

台湾后龙溪桥风洞试验研究与静风响应分析

摘 要：通过风洞试验研究了台湾后龙溪桥气动稳定性;获得了混凝土梁和钢梁两种断面发生涡振的条件、涡振锁定风速范围及涡振振幅;对自然界和风洞中的风轴和体轴异同进行了区分;实测了两种断面的静气动力系数;最后进行了非线性静风荷载响应分析。研究结果表明：实桥风速达到135m/s,不会发生气动失稳;钢梁和混凝土梁断面+3°攻角时在均匀流场中会发生竖向和扭转涡振,扭转涡振风速锁定风速很高,而且范围很宽;在紊流度约为10％风场中,攻角在-3°～+3°范围内,未观测到明显涡振;由静风荷载引起的主梁附加攻角很小,风荷载非线性对主梁扭转位移和侧向位移影响很小,而对竖向位移影响相对较大,原因是竖向风荷载引起主缆刚度改变。     

钢-砼叠合边主梁斜拉桥稳定板气动措施研究

钢-砼叠合边主梁断面广泛应用于大跨径斜拉桥中,但该断面形式容易产生大幅涡激共振,颤振风速也较低,应用于沿海地区桥梁常常需要附加抑振气动措施。基于两座实际的斜拉桥工程方案,通过节段模型风洞试验,对稳定板气动措施的抑振效果进行了研究。结果表明,通过合理布置稳定板这类气动措施可以有效抑制边主梁断面涡激共振的发生,并且可以改善颤振性能,提高颤振临界风速。     

气动措施抑制桥梁涡振机理研究

通过表面测压方法研究了桥梁主梁基本断面、添加抑流板或导流板后断面的涡激共振特性;基于三种断面不同风速各测点压力时程,综合对比分析脉动压力系数均值、标准差、功率谱及局部与总体气动力相关性对涡振的影响,揭示了扭转涡振及气动措施抑振的机理。研究发现:扭转涡振的根本原因是上表面上游的分离使得中游和下游区域压力脉动非常强烈,各测点脉动压力具有相同卓越频率,且与总体气动力具有良好的相关性;抑流板改善了上表面流场分布,有效抑制了涡振;而导流板对上表面流场基本无影响,未能抑制涡振。     

扁平箱梁涡激力的展向相关特性研究

针对扁平箱形断面梁,在均匀流场中进行了涡激振动节段模型风洞试验,研究了扁平箱梁涡激力的展向相关性。结果显示:在涡振锁定区的振幅下降阶段,升力的展向相关性随着振幅的减小而减弱;在涡振锁定区的振幅上升阶段,升力的展向相关性随着振幅的增大先增强后减弱,升力展向相关系数的最大值出现在振幅上升阶段的某个风速,而不是最大振幅对应的风速;均匀流场条件下,在涡振锁定区内,扁平箱梁涡激力的展向相关性不仅与振幅有关,也与来流风速值有关。     

基于尾流振子模型的桥梁节段至实桥涡激共振振幅转换关系

该文基于一种用于涡振模拟的两自由度经验模型（尾流振子模型）推导了桥梁节段至实桥涡振振幅转换关系。首先介绍了尾流振子模型的形式及其特点,其次从展向全相关及展向不完全相关两方面推导了节段至实桥涡振振幅转换关系,最后结合实际桥梁对上述过程进行了算例验证,并与现场实测结果进行了比较。研究表明:当不考虑涡激力展向相关性影响时,节段至实桥涡振振幅只与结构振型函数有关,尾流振子模型得到的转换关系与传统经验非线性模型得到的转换关系相同;当考虑涡激力展向相关性时,计算得到的实桥涡振振幅可能小于节段模型结果,涡激力展向全相关条件下得到的计算结果与现场实测结果更接近。因此,当缺少精确的涡激力展向相干函数时,假定涡激力展向全相关计算得到的实桥涡振振幅可能更为可靠。     

矩形钢箱梁铁路斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

某大跨度矩形钢箱梁铁路斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(VIV)。为了抑制涡激振动,采用1∶50节段模型风洞试验,研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用,包括减小栏杆透风率、增设裙板、导流板以及三角形风嘴。试验结果表明,除三角形风嘴能够适当降低主梁的竖弯涡振外,其他气动措施抑制涡振的作用不明显。在此基础上,提出了带平台的三角形下行风嘴的制振措施。试验结果表明,该措施能够有效抑制涡振,继而通过1∶25大比例尺节段模型风洞试验对该措施的有效性进行了验证。采用计算流体动力学(CFD)的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究。试验结果表明,带平台的三角形下行风嘴能够同时降低主梁上、下表面的旋涡尺寸,并有效减小主梁受到的非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果。该研究成果可为大跨度铁路斜拉桥钢箱梁的涡振制振设计提供参考。     

单面碰撞TMD及其桥梁涡激振动控制研究

单面碰撞调谐质量阻尼器(SS-PTMD)是一种新型减振装置,通过惯性力和黏弹性碰撞进行结构减振,针对SS-PTMD动力性能、碰撞力模型与验证、SS-PTMD桥梁节段模型涡振控制等开展了理论与试验研究。根据质量块单边运动受限和碰撞的特点,获得了SS-PTMD的动力特性;开展了钢-黏弹性材料碰撞试验,提出了碰撞力模型,根据试验数据识别了碰撞力模型参数,并验证了碰撞力模型;通过1∶40桥梁节段模型涡激振动风洞试验,发现+7°风攻角下出现了明显的涡激振动,根据简谐力涡激力模型识别了模型气动参数;采用仿真分析评估了SS-PTMD控制桥梁涡激振动的效果,在质量比2%及最大涡振振幅风速条件下的减振效率达到87%;通过风洞试验研究了SS-PTMD涡激振动控制效果,在质量比2%及最大涡振振幅风速条件下的减振效率达到92%;理论分析和试验结果表明,SS-PTMD对桥梁涡激振动具有很好的减振效果。     

不同槽宽分体箱梁桥梁的涡振及其控制措施

不同槽宽分体箱梁可以有效地提高大跨度桥梁的气动稳定性,但是其涡振性能还不够明确,研究了6种代表性开槽率分体箱梁的涡振性能随开槽率的变化规律,对比了4种控制措施（增大阻尼比、可调风障、导流板和隔涡板）的制振效果,并对其进行了综合评价。结果表明:闭口箱梁的涡振性能要优于开槽的分体箱梁;随着开槽率的增大,分体箱梁的竖弯涡振振幅先增后减,扭转涡振振幅表现较为敏感,其中,60%开槽率的竖弯涡振和80%开槽率的扭转涡振振幅最大。对比了60%和20%开槽率分体箱梁,增大结构阻尼比和增设小透风率的隔涡板可以明显的减小不同槽宽分体箱梁的竖弯涡振振幅,增大阻尼比和增设水平风障可以有效地提高不同槽宽分体箱梁的扭转涡振性能,而增设内置、外置导流板对的涡振控制效果取决于开槽率的大小。以上4种控制措施都可以满足分体箱梁的扭转涡振振幅要求,但只有增设0%透风率的隔涡板才能满足Sperling指标和抗风设计规范的竖弯涡振振幅要求。     

圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合模型研究

基于尾流振子模型对刚性圆柱体在横流以及顺流方向涡激振动耦合模型进行了研究。首先建立了横流以及顺流方向考虑结构几何非线性的结构振子以及尾流振子模型,其次基于二阶精度中心差分格式对模型进行先离散后迭代求解,再次通过与他人实验结果进行对比验证了该数值模型的可靠性,最后对不同质量比、不同结构阻尼比以及不同几何非线性系数下圆柱体涡激振动响应振动幅值以及振动轨迹进行了分析。分析结果表明:随着质量比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值均呈下降趋势,锁定区间宽度逐渐变窄。随着结构阻尼比的增大,横流以及顺流方向的振动幅值同样呈下降趋势,而锁定区间宽度逐渐变宽。随着折合速度的增加,结构振动轨迹依次出现斜"8"字形、"月牙"形以及正"8"字形。随着几何非线性系数的增加,横流以及顺流方向振动幅值从上分支进入低分支时的位移突降现象会变得越来越明显。     

基于可靠度理论的桥梁涡激振动概率性评价

涡激共振是大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动,涉及的不确定因素众多,利用可靠度理论对这类风致振动进行安全估算是大跨度桥梁风振研究的趋势。探讨了桥梁涡振的三种失效模式,包括基于涡振风速的失效模式、基于涡振振幅的失效模式和基于前两种失效模式交集的涡振刚度失效模式,基于此,以某座大跨度桥梁为例,应用二次四阶矩法计算了基于涡振振幅的失效概率,并与二次二阶矩法的计算结果进行了比较,用Monte Carlo模拟法(MC)进行了验证,发现基于二次四阶矩法的可靠度分析相对于二次二阶矩法具有较高的精度。然后,基于二次四阶矩法的计算结果得到了桥梁涡振刚度失效的概率,研究表明:单独考虑桥梁涡振发生风速或涡振振幅的失效概率偏于保守,应结合起来考虑。     

基于风洞试验和数值模拟的双矩形断面涡振气动干扰研究

采用节段模型风洞试验和CFD数值模拟对宽高比为5∶1的双幅矩形断面涡振气动干扰进行了研究。分析了不同水平间距对双矩形断面竖弯和扭转涡振响应的影响。在水平间距比为1.2时进行了动态压力测试,并分别对竖弯和扭转涡振风速下的脉动风压场进行POD分析。结果表明双矩形断面间存在显著的气动干扰,且一般而言下游断面的涡振响应大于上游断面。前两阶本征模态与双矩形断面涡振相关联,由前两阶本征模态可重构脉动风压场。CFD数值模拟的结果表明双矩形断面的涡振符合“撞击剪切层失稳机制”,且一个周期内上游断面下风向以及下游断面上风向区域的流动变化较为显著。CFD模拟与POD分析的结果相符合,两者相结合可用于分析双矩形断面的涡振现象。     

扁平箱梁涡激共振阻塞效应及振幅修正

风洞试验是涡激振动研究最为重要的手段之一。由于风洞尺寸的限制,涡激共振试验中存在一定的阻塞效应,然而已有关于涡激振动阻塞比效应的研究较为少见。数值风洞模拟方法可以自定义尺寸大小,从而避免实际风洞尺寸的限制。该文采用数值风洞方法,针对大跨度桥梁扁平箱梁,在阻塞比为1%、2.5%、3.89%、5%和8.75%下进行了竖向涡激共振分析,主要研究阻塞效应对扁平箱梁的气动力、涡激力及其分量、涡振振幅和流场等的影响。结果表明:随着阻塞比的增大,扁平箱梁的静力三分力系数、涡激升力、涡振振幅和受箱梁影响的流场范围均增大;涡激升力各分量的变化趋势各不相同,其中做正功的线性气动阻尼力先略减小后增大,做负功的非线性气动阻尼力持续减小;在2.5%阻塞比以内,上述各项的变化幅度几乎都在5%以内。最后,基于数值结果,该文给出了扁平箱梁涡振振幅的阻塞效应修正系数。     

A Simplified Nonlinear Model of Vertical Vortex-Induced Force on Box Decks for Predicting Stable Amplitudes of Vortex-Induced Vibrations

Wind-tunnel tests of a large-scale sectional model with synchronous measurements of force and vibration responses were carried out to investigate the nonlinear behaviors of vertical vortex-induced forces (VIFs) on three typical box decks (i.e., fully closed box, centrally slotted box, and semi-closed box). The mechanisms of the onset, development, and self-limiting phenomenon of the vertical vortex-induced vibration (VIV) were also explored by analyzing the energy evolution of different vertical VIF components and their contributions to the vertical VIV responses. The results show that the nonlinear components of the vertical VIF often differ from deck to deck; the most important components of the vertical VIF, governing the stable amplitudes of the vertical VIV responses, are the linear and cubic components of velocity contained in the self-excited aerodynamic damping forces. The former provides a constant negative damping ratio to the vibration system and is thus the essential power driving the development of the VIV amplitude, while the latter provides a positive damping ratio proportional to the square of the vibration velocity and is actually the inherent factor making the VIV amplitude self-limiting. On these bases, a universal simplified nonlinear mathematical model of the vertical VIF on box decks of bridges is presented and verified in this paper; it can be used to predict the stable amplitudes of the vertical VIV of long-span bridges with satisfactory accuracy.