基于CFD和风洞试验的钢桁梁悬索桥颤振稳定性分析#br#

为探究复杂山区超大跨钢桁梁悬索桥颤振稳定性，分别通过CFD数值模拟计算和风洞试验测试其颤振临界风速。首先基于山区某悬索桥场地特征计算其风参数，并结合ANSYS计算其关键振型及频率。其次基于CFD数值模拟，采用气动导数和流固耦合两种计算模式探究悬索桥主梁原始断面和气动优化后的颤振临界风速。最后对悬索桥主梁断面进行风洞试验，并将计算结果与CFD计算结果做对比分析。研究表明：桥位基本风速U10＝28.0 m/s，设计基准风速Ud＝37.20 m/s；CFD计算时，风攻角为0°、+3°与+5°时，原始断面颤振临界风速小于颤振检验风速，气动优化(设置上中央稳定板)后的断面颤振临界风速明显高于颤振检验风速；风洞试验结果表明主梁原断面在+3°风攻角颤振临界风速小于颤振检验风速；气动优化后，各风攻角下主桥结构颤振临界风速均大于该桥颤振检验风速，颤振稳定性满足规范要求。     

双层桥面桁架梁三塔悬索桥颤振性能优化风洞试验

双层桥面桁架梁气动性能复杂,已有研究较为少见。以某双层桥面桁架三塔悬索桥设计方案为背景,通过节段模型风洞试验,研究了栏杆透风率与高度、双层桥面板中央开槽、中央稳定板等多种气动措施对颤振临界风速的影响。结果表明：该桥原始断面在-3°、0°、+3°三种风攻角下,颤振临界风速均小于颤振检验风速,存在发生颤振失稳的可能性;中央稳定板的高度对颤振临界风速影响较大,上层桥面设置上中央稳定板能提高桥梁的颤振临界风速;上、下双层桥面板均中央开槽能够显著提高0°风攻角下的颤振临界风速,但使正攻角下的颤振临界风速有所降低;采用上、下双层桥面板中央开槽、合理地设置中央稳定板和改变栏杆透风率等气动综合措施,能使该桥在各攻角情况下的颤振临界风速满足要求。     

悬索桥跨径的空气动力极限

气动失稳是大跨度悬索桥设计中的关注重点之一。为了在悬索桥初步设计阶段,给主梁断面形式和跨径长度的确定提供参考,对主跨1000 m~5000 m悬索桥开展气动稳定性分析。基于跨径从888 m(虎门大桥)~1991 m(明石海峡大桥)的悬索桥动力特性,拟合在1000 m~5000 m跨径范围内主梁侧弯、竖弯与扭转基频随跨径增长的变化趋势。根据该趋势构建主跨介于1000 m~5000 m的双塔单跨悬索桥有限元模型,其中垂跨比为1/11。选取常用的流线形单箱、格构式桁架、窄开槽双箱与宽开槽双箱4种主梁断面,将主梁宽度统一为36 m以排除桥宽对气动稳定性的影响。结合风洞试验测得的静力三分力系数和颤振导数,采用考虑结构几何非线性和气动荷载非线性的三维非线性静风稳定分析方法及三维全模态频域颤振分析方法求解悬索桥在0°与±3°攻角的静风失稳临界风速和颤振临界风速。分析结果表明,跨径从1000 m增加到3000 m左右时静风失稳临界风速有下降趋势,在3000 m~5000 m时静风失稳风速随跨径增大而上升。颤振临界风速则随跨径不断降低,与主梁基频的衰减规律相似。对不同断面外形气动稳定性的比较显示,流线形单箱和格构式桁架悬索桥的最低静风失稳临界风速低于实测最大阵风风速的80 m/s;跨径超过2000 m时,四种断面悬索桥的颤振临界风速均小于70 m/s。研究结果表明,对于本文构建的悬索桥而言,跨径3500 m附近的流线形单箱和格构式桁架悬索桥有可能在现实中发生静风失稳,而颤振在大跨度悬索桥抗风设计中是控制因素,且颤振问题随跨径增大而越发严峻。

     

分体三箱断面主梁桥梁的抗风性能及气动优化

为研究分体三箱断面主梁桥梁的抗风性能并提出有效的气动优化措施,基于某公铁两用分体三箱断面主梁大跨度斜拉悬索协作体系桥梁,开展了不同风攻角、不同紊流度流场以及5种不同气动措施下的节段模型风洞试验。结果表明,箱体分离会使主梁断面颤振临界风速大幅提高,但会造成箱体间流场的复杂化从而带来涡激振动(VIV)问题。成桥状态原始断面0°、±3°攻角下均发现了扭转VIV,最大扭转振幅1.238°;颤振临界风速均高于97.3 m/s。桥面抑流板、不同检修轨道位置及梁底导流板3种措施对扭转VIV抑制效果不理想;箱体间隙处加装均布纵向格栅可有效抑制扭转VIV,且透风率越小优化效果越明显,但透风率小于23%的格栅会造成颤振临界风速的下降;10%透风率格栅与下中央稳定板组合措施在完全抑制扭转VIV的同时保证了桥梁的颤振性能。基于计算流体动力学(CFD),得到了原始断面和优化工况主梁周围的流场结构及气动力变化规律。箱体间距处与下游公路箱上方大尺度旋涡的形成是主梁VIV的主要诱因。优化后断面箱体间距处大尺度旋涡被打散,升力和扭矩时程均方根(RMS)明显减小,从而有效改善了主梁的VIV性能。同时优化工况的升力和力矩系...     

2300m超大跨度扁平钢箱梁悬索桥颤振稳定性优化研究EI北大核心CSCD

张皋过江通道南航道桥作为张皋过江通道的控制性工程,主桥采用主跨为2300 m的悬索桥设计,主梁采用扁平钢箱梁设计(宽度达51.7 m),跨中桥面距离海平面高度达77 m,具有桥梁跨度大、主梁宽度大、桥面高等特点。以上特性均导致了该桥对风的作用极为敏感,颤振设计面临着前所未有的挑战。研究表明该桥原设计断面无法达到颤振设计要求,就如何提高该类2000 m级整体钢箱梁悬索桥的颤振稳定性,采用1∶50节段模型风洞试验进行了研究。试验结果表明,上中央稳定板、下中央稳定板、水平稳定板以及改变人行道板倾角等传统气动措施已无法满足该类超大跨度桥梁的颤振设计需求,但在设置上、下中央稳定板的基础上,在人行道板端部设置斜45°导流板可显著提高该桥在各风攻角下的颤振临界风速至满足颤振设计要求,并通过1∶196全桥气弹模型风洞试验对该组合气动措施的有效性进行了验证。研究成果对采用整体箱梁的2000 m级超大跨度悬索桥颤振设计具有重要的参考意义。     

PC板式加劲梁悬索桥三维颤振特性分析

以规划的贵州某PC板式加劲梁悬索桥为研究对象,针对施工和成桥两种状态,利用节段模型强迫振动风洞试验,识别了-3°、0°和3°三个风攻角下PC板式加劲梁的8个颤振导数。通过有限元软件ANSYS的二次开发,对大桥进行了颤振全模态频域分析,研究了不同风攻角和栏杆对该桥颤振特性的影响。研究发现,在0°风攻角下,栏杆(成桥状态)显著恶化了加劲梁的颤振特性;无论是施工状态(无栏杆)还是成桥状态,负攻角下大桥颤振临界风速显著降低;相反,正攻角下施工和成桥均有很高的颤振临界风速。这表明,此类PC板式加劲梁悬索桥对来流风攻角非常敏感,因此栏杆气动外形优化和桥址风场条件研究非常重要     

大跨度桥梁PK箱梁断面颤振性能研究

以某主跨820 m PK箱梁斜拉桥为背景,借助节段模型风洞试验并结合二维三自由度颤振分析理论方法(2D-3DOF method),进行了大跨度桥梁PK箱梁断面成桥状态颤振性能研究,提出了"软颤振"临界风速扭转响应根方差、峰值因子和阻尼比综合判定标准,并对三种尺寸抑流板颤振控制效果与驱动机理进行探索。研究表明,PK箱梁断面成桥状态具有明显的"软颤振"特点,而且风攻角效应明显,特别是0~°和+3~°颤振临界风速差异显著,主要是由于0~°攻角表现为"弯扭耦合颤振",+3~°攻角为"单自由度扭转颤振",两者气动阻尼变化规律差异明显而表现出不同的颤振特点;抑流板能有效提高PK箱梁断面+3~°攻角的颤振临界风速,其增加了颤振耦合程度,虽然会激起更多的不利耦合气动阻尼,但是扭转运动自身产生的气动阻尼对系统的稳定作用也增强,气动阻尼之间的竞争将决定系统最终的发散。     

扭心偏移对桁梁桥颤振临界风速影响的试验研究

近些年山区大跨度桁梁桥得到较多的修建,其颤振性能通常由弹性节段模型风洞试验确定。试验中,主梁扭转中心通常设在节段模型的形心。受多种因素的影响,大跨度缆索桥梁主梁扭心可能偏离了形心位置,从而导致风洞测试结果与实际情况出现偏差。通过节段模型风洞试验模拟桁梁桥的扭心竖向偏移,测试不同扭心偏移下大跨度斜拉桥与悬索桥的颤振临界风速,对比研究扭心偏移形成的弹性转动中心、质量惯性矩、扭转频率变化的影响。总体上,扭心偏离形心使得桁梁桥颤振临界风速提高。     

平行双箱梁桥面颤振稳定性试验研究

在建的佛山平胜大桥和设计中的青岛海湾桥红岛航道桥方案分别是具有平行双箱梁的独塔自锚式悬索桥和独塔斜拉桥，对两座桥梁的单、双桥面弹性悬挂节段模型风洞试验结果表明双桥面之间存在不可忽略的气动干扰效应，从而使桥梁在单、双桥面状态时的颤振临界风速不同。以平胜桥主梁节段模型为基础的一系列风洞试验研究表明，平行双箱梁桥面主梁的颤振临界风速与两桥面之间的距离有关系，双桥面的颤振临界风速随两桥面之间距离D值的增大而增加。与单桥面状态相比较，平行双箱梁桥面的颤振导数也有相应的变化，且这种变化和两桥面之间的距离D也有关系。     

基于风洞试验的大跨度钢桁梁悬索桥颤振性能研究

目前研究大跨度桥梁颤振性能的主要手段是节段模型风洞试验,而如何利用试验结果对桥梁主梁断面进行优化还没有得到彻底解决。以某大跨度钢桁梁悬索桥为工程背景,给出了桥梁设计基准风速的计算方法和结果。进行1∶48比例节段模型颤振振动试验,得出了主梁在各个攻角下的颤振临界风速。在最不利工况下,试验了下中央稳定板、上中央稳定板和水平稳定板对主梁颤振性能的影响,最后根据试验结果,在考虑安全、经济和美观等因素的条件下,选择最优气动方案,满足了桥梁抗风设计的要求。最后用1∶100比例全桥气弹模型试验验证了节段模型试验结果的可靠性。同时总结了大跨钢桁梁悬索桥颤振折算风速值一般位于数值4左右的规律,为今后类似钢桁梁悬索桥的颤振性能研究提供了借鉴和参考。     

平行双幅桥梁的颤振控制试验研究

当平行双幅桥的两个主梁距离较近时,双幅桥面之间的气动干扰效应对颤振性能具有不利的影响。为提高平行双幅桥的颤振稳定性,基于一座平行双幅Π型断面斜拉桥,开展了间距比(D/B)、风嘴角度和竖向稳定板以及水平分离板等多种气动措施下节段模型风洞试验,分析了这些工况下的颤振临界风速和颤振导数的变化规律。结果表明,气动干扰效应对于双幅桥的颤振稳定性都具有不利的影响,其中该效应对上风侧桥的影响小于下风侧桥,对闭口截面的影响要小于开口截面,随着间距比的增大而逐步减小;此外,65°风嘴时的颤振稳定性最好,上中央和下四分点的竖向稳定板均可减小气动干扰效应,而水平分离板反之。     

双开槽箱梁断面悬索桥的抗风性能及气动措施研究

为研究双开槽箱梁断面桥梁的抗风性能,并提出合理的颤振和涡振气动控制措施,本文以拟建的某钢箱梁悬索桥为研究对象,开展了一系列节段模型风洞试验,并结合二维三自由度方法和CFD数值模拟分别分析了不同措施下颤振和涡振机理的改变。研究表明:相比于单箱梁断面,双开槽断面能有效的改善颤振性能;防撞栏杆基座的有无,对该类桥的颤振临界风速影响显著;中央稳定板作为改善颤振稳定性的常用手段,对提高双开槽断面颤振临界风速同样适用,且在一定范围内,临界风速与稳定板高度正相关;二维三自由度分析结果显示,中央稳定板和较优形式的栏杆均能减缓气动阻尼随风速的变化趋势。针对开槽引起涡振的问题,尝试采用各种控制措施,试验证明,均匀间隔的纵向格栅能有效的抑制涡振。结合CFD模拟,其根本原因为纵向格栅明显改变了流场绕流特性,阻碍了大规模涡脱的形成。     

串列双幅断面颤振稳定性气动干扰试验研究

针对大跨双幅桥面桥梁气动干扰效应问题,采用风洞试验方法,在均匀流场、零度风攻角条件下研究了不同间距比时串列双幅典型断面(矩形断面、Π型断面及流线型断面)的颤振稳定性气动干扰效应。研究表明:串列双幅典型断面发生颤振失稳时,下游断面先失稳,上游断面后失稳;串列双幅钝体断面(矩形断面、Π型断面),当间距比D/B为0.2,0.5(D为串列双幅断面净间距,B为单幅断面宽度)时,串列双幅钝体断面颤振临界风速低于单幅钝体断面颤振临界风速;当D/B为1,2,4,6时,串列双幅钝体断面颤振临界风速高于单幅钝体断面颤振临界风速;串列双幅流线型断面颤振临界风速随间距比D/B增加而增加,在试验间距比范围内(D/B的值为0.3,0.6,1,2,4,5)均小于单幅流线型断面颤振临界风速,气动干扰效应降低了双幅流线型断面颤振临界风速。     

斜腹板倾角对扁平箱梁颤振性能影响及量化研究

开展了斜腹板倾角对扁平箱梁颤振性能影响及颤振性能量化的研究。设计制作了仅改变斜腹板倾角,固定宽度和高度的两组节段模型,保持测试系统的动力参数不变,采用风洞试验的方式获得了不同模型的颤振性能。测试结果表明:当扁平箱梁的宽高比在11左右时,在+5~°风攻角条件下,颤振临界风速受斜腹板倾角的影响较显著,而在0~°风攻角下此影响不明显;当宽高比在7左右时,无论在0~°或是+5~°风攻角条件下,斜腹板倾角对于颤振的影响均不明显。利用测试获得的两组模型的颤振导数,发现了斜腹板倾角的改变会造成耦合导数H_3~*和直接导数A_2~*的显著改变,从而导致了颤振临界风速的显著变化。根据试验数据和计算结果,采用颤振临界风速解析计算式中的颤振因子,量化了风攻角和斜腹板倾角对扁平箱梁颤振的影响,给出了不同条件下的颤振因子。相对于目前规范中颤振计算时的单一折减系数,条件化的颤振因子能够较准确地计算出扁平箱梁的颤振临界风速。研究成果也对如何有效改进扁平箱梁的气动布局有参考意义。     

采用机器学习方法评估流线型箱梁颤振临界风速

为在工程设计初步阶段快速评价流线型箱梁颤振性能,基于4种机器学习算法(支持向量机回归、神经网络、随机森林回归和高斯过程回归),利用自由振动风洞试验获取的15种不同流线型箱梁断面在5种不同风攻角下的颤振临界风速,建立了从气动外形与动力参数到颤振临界风速的颤振临界风速预测模型.结果 表明:支持向量机回归模型预测结果整体精度...     

增设主梁下风侧翼板抑制悬索桥架设阶段颤振的研究

本文首先建立了下风侧附加翼板桥梁主梁截面的自激气动力模型。以某悬索桥设计方案为工程背景,应用多模态颤振分析方法,分析了该桥架设阶段颤振临界风速的发展趋势。以其中最危险的架设阶段为例,研究了主梁下风侧设置翼板这种控制措施对系统颤振的控制效果。分析表明,主梁下风侧附加翼板对于悬索桥架设阶段的颤振是一种有效的气动控制措施。     

边箱钢-混叠合梁颤振性能及气动措施研究

为了研究边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振性能,以某大跨度悬索桥为背景,通过一系列节段模型风洞试验,研究了边箱钢-混叠合梁悬索桥的颤振形态及特性,并详细分析了上、下中央稳定板、水平导流板、裙板、锐化风嘴等气动措施对其颤振性能的影响。结果表明:边箱钢-混叠合梁颤振呈现以扭转为主、单一频率振动的弯扭耦合振动特征,即出现软颤振现象,且振动频率与系统扭转频率相近;通过气动优化研究发现,对于边箱钢-混叠合梁,中央稳定板对于提高其颤振临界风速的作用有限,而水平导流板与裙板组合气动措施的作用效果明显,可显著提高其颤振临界风速。此外,锐化风嘴亦可改善边箱钢-混叠合梁颤振性能。     

非对称П型梁和流线型箱梁气动性能风洞试验研究

为了研究非对称人行道对主梁气动性能的影响,利用节段模型风洞试验,分别研究了非对称П型梁和流线型箱梁在不同来流风向下的三分力系数、涡振以及颤振特性。试验结果表明:在正攻角范围内,0°来流风向下(人行道板一侧的来流方向)两种类型主梁的三分力系数均大于180°来流风向值,且非对称人行道对П型梁三分力系数的影响比流线型箱梁显著;断面的非对称性会严重影响不同来流风向下П型梁的涡振性能,包括出现涡振的风攻角、涡振响应振幅、起振风速以及锁定区间等。从空气动力学角度分析,人行道板的存在使0°风向来流提前发生分离,再附点发生改变,涡激力减弱,进而改善了主梁在该来流风向的涡振性能。0°来流风向下两种类型非对称主梁的颤振临界风速均高于180°来流风向值。颤振导数结果显示非对称人行道板和栏杆可提供一定的扭转气动正阻尼,因此0°来流风向主梁的颤振临界风速较高。     

附加攻角效应对颤振稳定性能影响

用强迫振动装置识别攻角从-3°~+4°细化步长变化为1°的洞庭湖二桥主梁断面气动导数;将该气动导数拟合成折减风速、攻角的三维曲面,只需获取某一有效攻角的具体数值即可自动求得所有气动导数值。通过在ANSYS中的三维TABLE表存储各攻角的气动导数,自动计入附加攻角对颤振稳定性影响。全模态颤振分析结果表明,附加攻角效应可降低该类桥梁的颤振临界风速。若按常规试验方法以3°攻角为步长进行气动导数插值计算,颤振分析有可能得到错误结论。     

桥梁断面颤振导数的CFD全带宽识别法

由于需要在不同折算风速下重复进行大量试验或CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟,现有风洞试验和CFD方法识别桥梁断面颤振导数耗时且效率低。提出一种基于CFD离散时间气动模型,快速识别感兴趣折算风速带宽内任意折算风速下桥梁断面颤振导数的全带宽识别法。该法基于任意拉格朗-欧拉描述的有限体积法和多层网格技术,首先计算作用在桥梁断面上的非定常气动力,CFD模拟时强迫桥梁断面以单自由度竖弯或扭转方式振动,位移模式为定义在感兴趣的频率范围内的指数脉冲时间序列。然后利用得到的气动力和该指数脉冲输入,通过系统识别建立起反映桥梁断面气动力系统特性的离散时间气动模型。随后利用该气动模型仿真桥梁断面在简谐位移激励下的气动力响应,并由该模型的输入和响应通过系统识别得到桥梁断面的颤振导数。该法在竖弯和扭转方向各仅需一次CFD模拟,就可构造离散时间气动模型,使得颤振导数识别的计算量显著降低。开展了三汊矶大桥加劲梁断面颤振导数识别和颤振临界风速计算,研究结果与风洞试验的一致性,证明了方法的可靠性和高效性。