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。     

桥梁断面范德波尔振子涡激气动力模型参数非线性化的能量原理

采用范德波尔振子类涡激气动力模型，通过能量平衡原理，推导了涡激共振过程中结构的振幅增量、初始气动阻尼、非线性气动阻尼三者之间的基本关系，进而得出模型中气动力参数ε与振幅yT之间关系的识别原理。基于某扁平箱梁桥梁断面的节段模型涡振试验结果，对范德波尔类涡激气动力模型参数随振幅的演变关系进行了识别。结果表明，在涡激共振锁定区间内，随着振幅的增加，参数ε呈单调下降的趋势。与之相反的是，参数ε形成的非线性气动阻尼比却呈非线性增长的规律。当参数ε相关的非线性气动阻尼、初始气动阻尼、结构阻尼三者之和为零时，结构达到稳定的涡振极限环状态。研究表明：初始气动阻尼特性决定了结构能否起振而形成涡振锁定区间；识别出模型参数随振幅的变化关系后，高于试验阻尼的结构涡振响应具有可预测性。     

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。     

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%。     

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。     

平行多幅连续钢箱梁桥抗风性能研究EI北大核心CSCD

为研究平行多幅连续钢箱梁桥的抗风性能,以引江济淮工程G312合六叶公路桥(主跨180 m,并列四幅钢箱梁)为背景,对单幅和并列多幅桥的节段模型和全桥气弹模型进行风洞试验,分析单幅桥的气动性能,以及多幅桥之间的气动干扰效应对大桥成桥状态涡振和驰振性能的影响,并结合计算流体力学仿真分析探究了桥幅数量对并列多幅桥气动性能的影响机理。结果表明,并列多幅桥的气动稳定性受单幅桥气动性能、风攻角和桥幅数量等众多因素的影响。对于相同的风攻角,随着桥幅数量的变化,多幅桥的气动性能可在涡振、驰振和抖振等不同状态转变;3°风攻角下,并列双幅桥会发生大幅竖向涡振,其风速锁定区间和最大涡振振幅都明显大于单幅桥;并列三幅桥会发生驰振响应,驰振临界风速大于单幅桥;按小间距平行错孔布置的四幅桥具有相对较稳定的气动性能,在试验风速范围内没有发生大幅涡振和驰振发散现象。     

串列双塔柱风荷载及涡振性能研究

为研究双柱式桥塔的抗风性能,以实际桥塔为工程背景,采用CFD数值模拟方法分析了两串列带圆角方柱的非定常绕流。在验证分析方法可靠性的基础上,研究了风速、风向角和间距比对截面气动力系数的影响,并进一步研究了各塔柱及桥塔整体的涡振性能,对比了由于上游、下游塔柱侧力大小及变化趋势不同而造成桥塔扭矩增大的效应。研究结果表明：间距比的不同将显著改变串列塔柱气动特性,其临界值约为3,此时两柱阻力系数之和最小,侧力系数均方根值接近零。     

π型断面超高斜拉桥涡振减振措施风洞试验研究

π型主梁断面涡激共振是影响其在大跨度桥梁中广泛使用的重要因素之一。以某大跨度超高三塔斜拉桥为工程背景,采用节段模型测试了施工状态主梁涡振性能,试验发现在设计风速范围内主梁存在明显的竖向涡激共振现象,且在规范规定的阻尼比范围内涡振振幅均大于规范限值;为抑制主梁涡振,设计了隔流板和下稳定板等气动减振措施。结果表明:一定宽度的隔流板虽然能降低主梁涡激共振振幅,但其减振效果有限;两道一定长度的下稳定板能较好的抑制主梁涡激共振,且满足颤振稳定性要求;最后,结合数值模拟的方法对涡振发生及减振机理进行了初步探讨。     

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。     

宽幅Π型主梁涡振机理及优化措施研究EI北大核心CSCD

该研究以某宽幅跨江大桥Π型主梁为例,通过风洞试验和数值模拟系统地研究了该桥面的涡振(vortex-induced vibration,VIV)性能及控制措施。首先,对该桥面节段模型进行风洞试验测试,试验结果表明,该桥面原始设计方案气动外形较差,在常遇风速下会发生较大幅值的涡激振动,振动幅值超过规范所限定的最大幅值;随后,开展了5种典型的气动措施研究,并通过风洞试验对其涡振控制性能进行测试;然后,使用数值模拟对该断面的涡振与抑振机理进行研究。对比分析5种措施的试验结果,得出4点主要结论:(1)风嘴越向下偏心,抑振效果越好;(2)大尺寸风嘴涡振控制性能优于小尺寸风嘴;(3)风嘴边缘设有水平板有利于气流的提前分离,可提升抑振性能;(4)倒“L”形裙板的扭转涡振控制效果优于风嘴。基于以上试验结论,选取原始断面与控制效果较好的措施进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,旨在探究Π型梁涡振的诱发机理及控制机理。由模拟结果分析得到,Π型梁涡振的主要诱因是由于气流在桥面上游角点处分离形成剪切层,随后在箱内形成与桥面尺寸相当的大尺度漩涡所引起的。涡振的控制机理在于通过安装气动措施,整流分离后的气流,削弱剪切层能量,进而提升Π型梁的涡振性能。该研究对Π型梁涡振性能优化具有一定的指导意义,并提出了几种有效的抑振措施,为类似桥面的工程设计提供了依据。     

覆冰导线动态气动力特性模拟与分析

为研究覆冰导线舞动时气动力的特性,从弱耦合角度出发,基于流体动力学仿真软件Fluent二次开发,利用用户自定义函数对导线的舞动轨迹进行编程并结合动网格技术实现流固耦合。计算了新月形覆冰导线在横向振动下的气动力系数,并与静态模拟结果和试验结果进行比较;分析了舞动幅值、频率和扭转振动对动态气动力的影响。结果表明：相同风速下,动态气动力系数大于静态值,二者具有相同的变化规律;阻力、升力系数随舞动幅值增大显著增加,特别是升力系数成倍增加;振动频率增加,也使动态气动力系数增大,但频率对动态气动力的影响小于幅值的影响;扭转振动对动态气动力有一定的影响。工程中采用静态气动力系数预测大档距舞动引起的断线的临界风速和塔承受的荷载,其结果不安全,应考虑动态气动力系数对舞动的影响。     

基础存在裂缝的风机塔振动测试与分析

风机塔混凝土基础常存在开裂、不均匀沉降现象,严重时会导致塔筒倒塌。相比不均匀沉降,开裂程度特别是非表层的开裂难以直接测量,也难以准确评估其影响。对基础存在裂缝的风机塔开展振动测试与分析:首先选择一座基础出现开裂的风机塔和一座作为参考的同类型同场地的风机塔,同时开展振动测试;然后分析两座风机塔的振动特性;最后通过对比固有频率、振动强度等振动特性,发现相同测试工况下基础出现裂缝的风机塔的振动特性相比作为参考的风机塔,前三阶固有频率值虽然相差不大,但是其第3阶和第1阶的FFT幅值比远大于作为参考的风机塔;其加速度最大值在微风时与作为参考的风机塔相差不大,但是在风力较大或机舱偏航冲击工况下明显大于作为参考的风机塔。测试结果表明:塔筒加速度振动强度对基础裂缝比较敏感,而固有频率值不敏感,但是其高阶的FFT幅值对基础裂缝比较敏感。测试结果可为基于风机塔振动特性的变化快速评估基础裂缝的严重程度及分析此类型故障对风机塔运营安全的影响提供一定的参考。     

两座100m高薄壁结构冷却塔控制爆破拆除

根据冷却塔高、质量大、壁厚薄以及周围环境复杂等特点,制定了安全可靠的爆破方案。通过采用高卸荷槽复式切口爆破拆除技术,选择合适的爆破参数,采取合理的预处理措施和相应的安全防护措施,对两座100m高薄壁结构冷却塔成功实施了控制爆破拆除。降低了冷却塔爆破振动效应,实现了冷却塔爆破拆除精准定向。振动测试结果显示,冷却塔爆破拆除产生的振动速度均在安全允许范围内,证实了振动控制措施的有效性和实用性,可为同类爆破拆除工程提供参考。     

突风作用下圆柱结构气动特性的试验研究

突风(平均风速随时间快速变化)作用在结构或构件上时,结构的气动力和振动状态与平稳风作用下的结果有何不同,是值得研究的问题。在风洞实验室,利用电压控制的方法,实现了具有一定风速加速度的突升和突降的风速变化过程,测试了圆柱结构在突变风速平稳风速作用下的气动力和振动状态,试验结果表明：当突升风速作用在模型上时,采用瞬时风速和气动力算得的力系数和在平稳风速下的结果一致;当突降风速作用在模型上时,采用瞬时风速和气动力算得的力系数虽然在大小上和在平稳风速下的结果一致,但是其对应的临界雷诺数范围比平稳风速对应的临界雷诺数范围,整体向小的方向上偏移了一定的量值。当不涉及到临界雷诺数时,本文的突变风速不会激发模型的大幅振动;当风速升至或降至临界雷诺数区域时,模型将发生稳定的大幅振动;当风速经过临界雷诺数时,在临界雷诺数对应的风速下发生大幅振动,随着风速的升高或降低使得对应的雷诺数离开临界区域时,振动逐渐消失     

考虑风速分布的叶片MPC气弹控制

作为叶片失效的重要原因,颤振一直是风电领域研究重点。以抑制叶片工作过程中的颤振为目的,建立分析模型时应充分考虑实际风速分布特别是风切变和塔影效应对叶片振动的影响,并在离散化后求取平均输入风速。针对小型风力机叶片气动弹性稳定性问题进行综合分析,根据实体结构建立叶片气弹模型,考虑非线性气动力作用时叶片大攻角、大风速工况下产生的高频、高幅失速颤振,模拟典型截面仿真振动位移。通过模型预测控制的滚动优化和误差矫正控制叶片挥舞、摆振两个运动方向的振动频率和幅值,结果表明振动形式实现控制后可在短时间内达到稳定且静差可接受。     

轴向激励下斜拉索大幅振动分析

针对大跨度斜拉空间结构的斜拉索大幅振动问题,考虑塔柱-拉索-空间结构协同作用,导出了拉索在轴向激励作用下的非线性振动方程。采用多尺度法研究拉索大幅振动的各种可能性,运用精细时程积分法数值求解振动方程。研究表明斜拉索自由振动时的振动特性与塔柱、拉索、空间结构三者之间的频率比,以及塔柱、空间结构对拉索所提供的初始扰动特性密切相关;塔柱振动对拉索的参数振动影响明显。若塔柱与空间结构的固有频率相近且远离拉索固有频率,拉索振动发散。若塔柱和空间结构的固有频率相近、且与拉索固有频率存在一定差别,拉索振动呈现“拍”的特点。若塔柱、空间结构与拉索三者的固有频率相互紧密靠近,拉索振动的位移幅值接近拉索的初始扰动值。     

斜拉桥拉索风-雨致振动特性风洞试验研究

明确斜拉索的气动特性对于保证桥梁的安全性和经济性具有重要意义,服役期的斜拉索在各种作用下,截面可能由标准圆变为非标准圆,因此,有必要对非标准圆斜拉索的风致振动特性进行研究。以长短轴之比分别为1.05、1.10、1.15的椭圆柱体模型为研究对象,利用风洞测振试验,研究非标准圆斜拉索的风致振动时频特征。结果表明：非标准圆斜拉索风致振动时程整体上可以分为两类,一类是类似于简谐运动的非常稳定的周期性运动,另一类则随时间变化不特别稳定,一段时间内振幅较小,另一时间段内振幅则较大;在绝大多数工况下,风致振动为第一类振动,振幅较大且非常稳定;模型的振动频率基本上在自振频率附近波动,当模型出现大幅振动时,振动频率开始偏离自振频率,这是因为大幅风致振动可能使得模型系统产生了气动负刚度或气动质量,进而使得振动频率降低。     

施工中大桥桥塔的TMD减振研究

施工中大桥桥塔的风致振动对施工具有很大的危害,采用调谐质量阻尼器(TMD)对其进行减振。首先,通过一个二自由度的振动模型来阐述TMD装置的工作原理,并导出了TMD参数和外激励频率与减振效果的之间的关系。然后,在讨论大桥桥塔结构按一阶模态向一个单自由度系统的等效简化问题中,提出了一种基于固有频率的等效质量简便算法。最后,结合崖门大桥的桥塔施工进行实例TMD减振分析, 实测结果表明TMD的减振效果非常好但其设计过程也很复杂。     

输电塔气动力系数和气动导纳风洞试验研究

输电塔结构的非定常抖振力与来流风速之间存在复杂的非线性关系,基于风洞试验得到的某1 000 k V格构式直线输电塔弹性模型的基底力以及参考高度处同步采集的风速时程,采用线性和高斯两种近似假定计算了非定常气动力系数并与试验值进行了比较;提出了包含结构气动阻尼效应在内的总气动导纳的概念,通过基底脉动力谱和来流脉动风速谱的比值对总气动导纳函数进行识别,并用基于频域相干函数对导纳函数的线性部分进行了估计。结果发现,风偏角线性近似所计算静气动力系数的偏差较高斯近似小;由于气动抖振力非定常性质明显,不考虑总气动导纳函数将高估输电塔模型的抖振响应;脉动风力与脉动风速间有较强的非线性关系,用线性导纳函数计算的抖振力谱将低估脉动风分量的影响。