钢桁梁斜拉桥抗风稳定性数值模拟分析

以金塘大桥为研究对象,基于弹簧悬挂系统,采用Starccm+软件为研究工具,利用微分方程的数值解法和动网格技术,研究不同风攻角下桥梁的颤振临界风速、涡振扭转和竖弯振幅。结果显示:风攻角为3°时颤振临界风速区间为81～83m/s,风攻角为0°时颤振临界风速区间为87～89m/s,风攻角为-3°时颤振临界风速区间为95～98m/s,而规范公式计算的弯扭耦合颤振临界风速为90.44m/s,均大于检验风速76.3m/s;金塘公铁两用大桥的竖向弯曲振动和扭转振动涡振的共振振幅分别为102mm和0.253 86°,均小于规范的容许值201.3mm和0.289 8°;主梁颤振及涡激振动性能满足要求。研究结果表明金塘公铁两用大桥设计抗风稳定性满足规范要求,研究方法对大跨度桥梁的抗风设计具有参考价值和实际意义。     

上海长江大桥车桥系统节段模型涡激共振试验研究

涡激共振通常都在低风速发生,且涡激共振对断面形式的微小变化很敏感,因此有必要研究车辆对车桥系统涡激共振性能的影响。以上海长江大桥为背景,在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-1边界层风洞中进行了1∶60缩尺模型试验,开展了桥面无车状态、桥面有车状态下的两种断面形式以及0°、 3°和-3°三种风攻角共6个试验工况节段模型涡激共振试验研究,并将模型试验结果经过振型修正换算到实桥。试验结果表明:桥面有车状态下的竖弯涡振和扭转涡振中分别伴有相同频率的扭转振动和竖弯振动;桥面有车状态的竖弯涡振和扭转涡振幅值明显比桥面无车状态大;桥面有车状态下的涡振锁定风速区间比桥面无车状态下提前。可见车辆明显改变了主梁的气动外形,且无论从振幅还是振动形态方面考虑,车辆对车桥系统的涡激共振影响是不可忽视的。     

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。     

基于大尺度节段模型的悬索桥涡激振动控制气动措施研究

针对扁平钢箱梁悬索桥,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。试验中,采用风攻角α=0°、 3°、-3°研究该桥涡激振动特性,以及研究采用导流板气动措施制振效果。     

钝角风嘴箱梁涡振性能及其气动控制措施研究

某大跨度钢箱梁市政悬索桥主梁风嘴短而钝,箱梁底部有检修车轨道,主梁竖向及扭转涡振明显。文章基于1∶50节段模型风洞试验,结合计算流体动力学(CFD)数值模拟,以均匀来流为风洞试验条件,研究了栏杆、导流板和风嘴等对主梁涡振性能的影响,并提出了最优方案。研究表明,风攻角的变化会使涡振锁定风速和振幅均产生变化;栏杆隔三封一能有效地抑制主梁涡振,但可能会影响市政桥梁的美观;加设小风嘴有利于减小甚至消除涡振,且其施工简单,便于工程应用。     

分体式钝体双箱钢箱梁斜拉桥节段模型风洞试验研究

针对某主跨为458m的分体式钝体双箱钢箱梁斜拉桥,通过缩尺比为1∶50的主梁节段模型风洞试验,研究桥梁的颤振和涡激共振性能。节段模型风洞试验结果表明,在0°和+3°两种风攻角下,该桥原始方案的颤振临界风速低于颤振检验风速,而且扭转涡激共振的振幅也超过了设计允许值。为了提高桥梁的颤振稳定性并抑制涡激共振,研究在分体式钝体双箱钢箱梁上游和下游两侧上方安装固定水平气动翼板的气动控制措施。气动翼板的宽度为0.043B(B:分体式钝体双箱钢箱梁的宽度),上游和下游两侧气动翼板质心之间的水平距离为1.02B,气动翼板质心至分体式钝体双箱钢箱梁顶面的竖向距离为0.45H(H:分体式钝体双箱钢箱梁的高度),两侧气动翼板单位长度的总质量为0.008meq(meq:单位长度分体式钝体双箱钢箱梁的等效质量)。节段模型风洞试验结果表明:安装固定水平气动翼板后,在0°和+3°两种风攻角下,该桥改进方案与原始方案相比颤振临界风速分别提高了24%和33%,均高于颤振检验风速,并且改进桥梁方案没有发生涡激共振现象。最后,通过分析不同风速下桥梁结构阻尼随风速的变化,结果发现:安装固定水平气动翼板后桥梁扭转运动的阻尼显著增加,从而提高了桥梁的颤振稳定性,同时有效抑制了桥梁的扭转涡激共振。     

大跨度悬索桥涡振风洞试验与现场实测比较

选取国内典型悬索桥进行了不同缩尺比的节段模型涡振风洞试验研究,多方面比较了典型桥梁断面竖弯涡振响应的影响因素,并将试验涡振响应结果与实桥涡振响应监测结果进行了比较。研究结果表明,风攻角、导流板、模型尺寸及模型阻尼比从不同角度影响涡振位移最大值和涡振风速锁定区间,大尺寸节段模型试验结果与现场实测结果基本一致,而小尺寸节段模型试验不能有效发现涡振现象。     

开口断面主梁斜拉桥的涡激共振控制试验研究

涡激共振是大跨度柔性桥梁在低风速下常见的一种气弹现象,其具有自激限幅性质,且对结构阻尼及气动外形的微小变化较敏感。以一座大跨度开口断面主梁的斜拉桥为工程背景,开展了3种风攻角下施工状态和成桥状态的节段模型涡激共振试验研究,并提出了包括风嘴、导流板、稳定板、扰流板及其组合等多种气动控制措施。结果表明:稳定板可显著减小竖向涡激共振位移,而扰流板可显著减小扭转位移;1.5m稳定板与0.9m扰流板的组合形式为最优控制措施;1.44m宽度的导流板为次优选择,45°风嘴也是有效的控制措施但效果稍差。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

H型吊杆的大攻角风致振动和抗风设计

拱桥吊杆、大型桁架的直杆是典型的细长直立杆件,因风致振动而损坏的现象常有发生。直立杆件的风攻角变化范围为0°～360°,远大于水平杆件。因此,大攻角风致振动是细长直立杆件的显著特点。但过去未引起足够注意。风洞试验和理论分析证实H型杆件存在大攻角颤振失稳的现实可能性,直立杆的最低涡激共振风速和驰振临界风速也不一定正好在风沿杆件强轴或弱轴的方向产生,试验研究了H型杆不同高宽比和不同开孔率下共16种截面的抗风性能。腹板适度开孔可提高驰振稳定性,但几乎不能提高扭转颤振稳定性。在上述基础上,提出直立杆件抗风设计的建议。     

大跨度非对称悬索桥振动基频的参数敏感性分析

为了研究大跨度非对称悬索桥的动力特性,基于ANSYS软件建立了某大跨度主缆不等高支承悬索桥的三维有限元模型。在计算自振频率时考虑了表征结构非对称的参数,进行了前20阶模态分析,并分析了矢跨比、结构非对称参数、加劲梁抗弯刚度及主塔抗弯刚度等关键结构参数对其振动频率的影响。研究结果表明：不同的参数对非对称悬索桥振动基频的敏感性不同,一阶竖弯和扭转频率随矢跨比的增大减小,相对于正对称的振动频率,反对称的频率对矢跨比参数更敏感;非对称悬索桥的一阶反对称竖弯和扭转基频不受非对称结构参数的影响,而正对称竖弯和扭转基频随非对称结构参数的增大而减小;一阶横弯的自振频率对加劲梁刚度的变化非常敏感,当加劲梁的抗弯刚度增加到原来的3倍时,结构原有的振型次序发生了改变,但主塔抗弯刚度参数的变化对结构各向频率的影响很小,研究结果可为非对称悬索桥的结构设计和动力分析提供参考。     

基于可调姿态气动翼板的大跨度悬索桥颤振主动抑振方法

针对传统被动气动措施难以满足超大跨度悬索桥颤振设防需求的问题,提出一种基于可调姿态气动翼板的颤振主动抑振方法。该方法首先基于Roger颤振自激力时域模型建立主梁-翼板动力系统的状态空间表达,并通过系统重构优化使该表达能更加合理、有效地反应翼板姿态调节机制。此后通过引入基于主梁-翼板系统振幅控制权重的线性二次型指标,建立从桥梁振动状态监测到翼板姿态控制的颤振稳定性实时调节方法。为验证该方法的有效性和鲁棒性,研发针对桥梁节段模型风洞试验的反馈控制系统。研究发现,作用于两侧翼板上的反相气动升力在翼板间距的放大作用下形成的力偶是颤振控制力的主要成分,当迎风侧翼板振动相位滞后于主梁扭转振动约90°、背风侧翼板振动相位超前于主梁扭转振动约90°时有最优抑振效果;调节主梁控制权重至翼板控制权重的2倍时,可以提高颤振临界风速33%。     

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。     

干热河谷区大跨度钢桁梁悬索桥颤振性能研究

针对某跨越干热河谷区深大峡谷的千米级钢桁梁悬索桥,通过节段模型风洞试验对其颤振性能进行了研究,确保了结构的颤振稳定性。首先,采用ANSYS软件对桥梁结构的动力特性进行了计算分析。然后,设计了相应的试验模型,并分析了竖弯阻尼比和扭转阻尼比对桥梁颤振性能的影响。最后,提出了一种气动优化措施使桥梁的颤振稳定性满足要求。研究结果表明:该钢桁梁悬索桥的颤振形态以扭转振动为主,因此,扭转阻尼比的改变对其颤振性能的影响将明显大于竖弯阻尼比;大风攻角来流下桥梁的颤振临界风速将会降低,如果封闭桥面系的中央开槽并在其下侧设置竖向中央稳定板,可以使该悬索桥的颤振临界风速满足颤振检验风速的要求。