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。     

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。     

不同风攻角下薄平板断面颤振机理研究

薄平板在汽轮机末级叶片和风力机叶片等领域获得了广泛的应用,也作为基准对象用于流线型箱梁的颤振研究中。由于不同来流攻角对薄平板气动性能的影响不同,因此研究不同攻角下薄平板的颤振机理,把握其颤振特性,对保障结构安全具有重要意义。以宽高比为40的薄平板模型为研究对象,基于不同风攻角下的颤振导数,采用双模态耦合颤振分析方法,通过对不同攻角下颤振过程中气动阻尼、弯扭运动相位的差异性分析,研究了薄平板在不同风攻角下的颤振机理,指出了影响颤振性能的主要原因。研究结果表明:0°和3°攻角下颤振性能相似,均为扭转主导的弯扭耦合颤振;在5°和7°攻角下,薄平板虽然发生扭转主导的弯扭耦合颤振,但此时非耦合气动力提供的气动正阻尼显著减小,而耦合气动力提供的气动负阻尼增强,因而直接导致了大攻角下薄平板颤振临界风速的显著降低;同时,随着攻角由小到大变化,弯扭运动间的相位差也随之变化,并在7°攻角下发生了翻转式性转变:由扭转运动滞后于竖向运动转变为了竖向运动滞后于扭转运动。研究成果揭示了薄平板在大攻角下颤振性能弱化的气动弹性力学机理,为工程薄平板的颤振设计提供了参考。     

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。     

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。     

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数曲线的斜率在±5°攻角范围内均为正值,说明主梁具备了气动稳定必要条件。     

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。     

双层桥面桁架梁软颤振特性风洞试验研究

随着城市交通量的日益增大,双层桥面桁架梁的应用需求日益增加,研究其颤振特性有助于提升该类加劲梁的抗风设计水平。以武汉杨泗港长江大桥双层桥面桁架主梁为对象,利用节段模型自由振动风洞试验,测试了该主梁模型在不同工况下的软颤振特性,对比了不同风速条件下软颤振形态的异同。研究表明,双层桁架梁在试验中表现出了明显的软颤振特性,其振幅也随风速增加而增大。在0°风攻角的各级试验风速下,软颤振形态均表现为偏心扭转运动;在3°和5°风攻角下,起初表现为弯扭耦合运动,随着风速增大,弯扭耦合运动相位差逐渐减小;当风速增大到某个值后,弯扭耦合相位差为零,耦合颤振转变为偏心扭转颤振。无论是在连续的升风到降风过程中,还是在固定风速下给予不同初始激励,模型的软颤振振幅与折算风速之间具有唯一对应关系,不存在同一折算风速对应不同振幅的情况以及不同折算风速对应相同振幅的情况。最后从气动阻尼同时随振幅和折减风速变化的角度初步解释了双层桁架梁软颤振的发生机理。     

风致静力扭角对桥梁颤振性能影响的节段模型试验研究

自由振动试验识别得到的气动参数已包含了一定的、但与实桥不严格相似的风致静力扭角的影响.为了在颤振分析中能精确考虑风致静力扭角的影响,首先必须消除节段模型试验中风致静力扭角对气动导数识别结果的影响.通过在试验过程中使节段模型作受控反向旋转可以消除平均风附加攻角,然后以象山港大桥为背景,将消除平均风附加攻角后的试验结果与常规试验结果相比较,对风致静力扭角对节段模型系统的阻尼比、气动导数和临界风速的影响进行了初步讨论.研究结果表明:风致静力扭角对模型扭转阻尼比和与扭转有关的气动导数有明显的影响.象山港大桥节段模型在+3°攻角发生颤振时风致静力扭角约为0.32°,攻角修正以后节段模型颤振临界风速识别结果提高了7%.     

流线型箱梁颤振形态非线性特征的风洞试验研究

以南京长江第四大桥流线型箱梁断面为研究对象，基于节段模型自由振动风洞试验，详细测试了断面在不同攻角下的颤振性能。探讨了断面运动形态非线性特征随风速和攻角的演化规律，及非线性特征演化的动力学机理。研究表明，负攻角下，动力系统多非稳态极限环随风速增大逐渐减小的特征使得系统响应依赖于初始振幅，并导致了颤振性能随初始激励增大急剧减弱的现象；正攻角下，多稳态极限环随风速增大而增大的特征使得系统颤振响应表征为典型的软颤振；高风速下，极限环的消失使得系统响应表征为硬颤振，且不依赖于初始振幅；最后，从模态阻尼随振幅的演化规律，解释了系统颤振形态在各攻角下异同的动力学机理。     

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。     

π型加劲梁软颤振特性及下稳定板的影响研究EI北大核心CSCD

基于数值模拟方法研究了π型加劲梁的软颤振特性及下稳定板对其的影响。通过对比风洞试验的颤振临界风速验证数值方法的可靠性,分析了加劲梁的软颤振特性及1/4下稳定板的作用效果,探讨了π型加劲梁的软颤振机理及1/4下稳定板的影响机理。结果表明:该π型加劲梁具有明显的软颤振现象,且负攻角下的软颤振特性更为显著;某一风速下,振动系统的总能量先增大后保持稳定,而增设1/4下稳定板能减小振动总能量值,显著提升π型加劲梁的颤振临界风速,降低软颤振的振幅;π型加劲梁无下稳定板设计断面旋涡的发展和脱落产生的升力矩方向与主梁运动方向相同,促进扭转振动发散,而增设1/4下稳定板削弱了上表面旋涡的尺度,并在下表面形成了稳定的负压区,减弱了气动力对扭转振动的促进作用,降低了扭转振幅。     

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。     

苏通大桥三维颤振分析

基于结构有限元模型,给出了大跨度缆索承重桥梁三维颤振分析方法。该方法能够考虑静风作用、主梁附加攻角、拉索自激力和振型参与影响,同时迭代搜索侧弯、竖弯和扭转三种振动频率。采用该方法对苏通大桥进行了三维颤振分析,该方法的可靠性和实用性得到证实。结果表明:对于苏通大桥而言,不考虑静风作用和主梁附加攻角影响会高估颤振临界风速;不考虑拉索自激力作用和拉索振型参与,相当于忽略了系统气动正阻尼,会低估颤振临界风速;颤振临界风速颤振分析计算结果与风洞试验结果之间存在差异。     

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。     

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     

下稳定板形式对兴康特大桥颤振性能的影响

雅康高速泸定大渡河兴康特大桥跨越干热河谷区深大峡谷,其桥面中央设置了竖向稳定板以提高结构在复杂风环境下的颤振稳定性。对于钢桁加劲梁而言,下稳定板的布置形式具有一定的可变性,为了进一步优化下稳定板的抑振效果,研究了不同形式的下稳定板对该桥颤振性能的影响。首先,通过风洞试验测试了不同位置的单稳定板及不同形式的分离式稳定板对颤振临界风速的影响。然后,建立简化的二维CFD模型,通过气动力输入能量的大小及流场的变化规律对相应的气动机理进行了解释。研究结果表明:设置稳定板后,各个攻角下的颤振临界风速均得到不同的提高,尤其是在负攻角下。当负攻角的绝对值较大时,扭转运动的不稳定性成为了颤振发生的主要原因,稳定板通过阻碍漩涡移动、改变漩涡大小和增大迎风侧桥面板下侧负压区强度的方式提高扭转稳定性,因此,将中央稳定板设置为分离式竖向稳定板的效果更好。     

箱梁表面的压力分布对颤振稳定性的影响EI北大核心CSCD

该文建立了箱梁表面压力与颤振导数之间的数学关系,探讨了表面压力的分布特性对箱梁颤振导数和颤振临界风速的影响。结合流固松耦合的计算方法,利用动网格技术模拟了箱梁的风致振动。采用分块分析方法研究了箱梁表面压力的局部特性对颤振导数以及系统振动能量的影响。研究结果表明:箱梁迎风侧风嘴附近的分布压力对模型振动的稳定性产生了不利的影响,而模型尾部的压力则有助于提高系统的颤振临界风速。当迎风侧的分布压力向模型尾部移动时,对箱梁颤振稳定性影响较大的颤振导数则会发生较显著的变化,箱梁的颤振临界风速也随之增加,因此断面迎风侧风嘴附近区域的分布压力对颤振导数和系统振动的稳定性影响最大。另外,迎风侧风嘴附近的区域也是振动系统吸收气动能量的主要部位,而箱梁尾部风嘴附近的区域则消耗系统的振动能量。箱梁表面压力与模型振动最大位移之间的相位差对颤振导数有较大影响,当相位差沿断面呈反对称分布,并使气动阻尼始终为负时,则有利于箱梁颤振的稳定性。     

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。     

双边肋桥梁断面软颤振非线性自激力模型

采用弹簧悬挂节段模型测振的方法,研究了双边肋桥梁断面的软颤振响应。试验中观察到明显的软颤振现象,软颤振发生在扭转模态内,以单自由度的扭转振动为主,弯扭耦合效应比较微弱。将颤振导数拓展为瞬时扭转振幅的函数,以计入自激力的非线性效应。参数识别结果表明,自激力的非线性主要体现为气动阻尼的非线性效应,气动刚度的非线性较弱。通过对比软颤振响应的计算值和试验值,初步验证了该自激力模型和参数识别结果的可靠性。根据气动阻尼和结构阻尼随瞬时振幅的变化关系,对软颤振的机理进行了探讨。