超高层建筑横风向气动刚度研究

为了研究超高层建筑横风向气动刚度,进行了多自由度气弹模型试验,以直接测量模型在不同风速下的振动频率,用该频率相对于自振频率的改变量作为气动刚度的评估指标。分析了结构阻尼比、风场粗糙度、模型密度、折算风速、高宽比、涡振位移等因素对气动刚度的影响。结果表明:在共振临界风速附近,气动刚度造成风振频率改变量可达自振频率的10%;频率改变量随折算风速呈“V”字形变化,在折算风速小于8时,频率改变量通常为正,在共振临界风速附近频率改变量最大,折算风速大于12时,频率改变量保持稳定且略小于结构自振频率。由于涡振位移和气动刚度的相互作用,结构阻尼比越小、风场紊流度越小、模型高宽比越大、密度越小则频率改变量随风速变化的“V”字形越尖锐。最后提出了名义折算风速和实际折算风速的概念,并建立了气动刚度的简化估算模型。     

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。     

输电塔典型节点钢管杆件动力特性研究

摘要：输电塔钢管杆件易发生微风振动,起振风速与杆件自振频率有关。为了获得钢管杆件的自振频率规律,分别通过动力特性试验和ANSYS有限元模拟进行了研究,得到了常用长细比典型节点钢管杆件的1阶自振频率。结果表明单插板连接和U插板连接杆件弱轴1阶自振频率接近于两端铰接结果、强轴1阶自振频率接近于两端固接结果,十字插板连接和法兰连接杆件1阶自振频率接近于两端固接结果,螺栓数对钢管杆件1阶自振频率影响不大。最后总结出了方便工程应用的1阶自振频率简化计算方法。     

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。     

高阶振型对大跨度钢桁拱桥地震反应的影响

为探讨高阶振型对大跨度钢桁拱桥地震反应的影响,以某1~490 m上承式钢桁拱桥为研究对象,采用MIDAS Civil软件建立全桥有限元模型,基于振型分解反应谱法基本原理,通过动力分析与静力分析相结合的方法,提出了高阶振型对大跨度钢桁拱桥地震反应的分离方法,在此基础上分析了主控振型对大跨度钢桁拱桥主拱圈纵向地震反应的影响规律。结果表明:同一振型对主桁下弦杆的同一位置不同内力分量的影响程度不同。同一振型对主桁下弦杆不同区域的同一内力分量的影响程度不同。从主桁下弦杆整体内力分布看,各阶振型对下弦杆的轴力、弯矩影响规律较为接近,但对剪力的影响明显不同。对于轴力和弯矩,在L/8区域~拱脚区域内,高阶振型的影响显著。对于剪力,在跨中区域~L/4区域,高阶振型的影响显著,且多阶振型共同作用效果明显。     

九江长江大桥柔拱吊杆风致涡振及对策

九江长江大桥主跨（１８０＋２１６＋１８０）ｍ三跨连续刚性桁梁桥性拱结构,其吊杆为Ｈ型截面,发生低风速涡振,吊杆截面高度有二种：５２０ｍｍ及４２０ｍｍ,宽度均为７２０ｍｍ,前者发生一阶纵弯涡振,后者为一阶扭转涡振,采用质量调谐阻尼器抑振,抑振效果好。     

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%。     

大跨主梁沿跨向涡振Scanlan非线性模型应用

摘要 柔性大跨主梁在低速横风作用下易发生涡激振动,尽管不会导致毁灭性的破坏,但会引起结构疲劳或影响正常使用。基于Scanlan非线性涡振模型,引入Wilkinson涡激力相关性函数,推导大跨主梁沿跨向锁定状态竖向、扭转涡振一次理论近似解,分析相应气动参数识别方法。以一大跨斜拉桥为例,根据主梁节段模型涡振试验识别气动参数,计算沿主梁跨向竖向涡振响应。     

铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性研究

为了研究K6型和K8型铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性,采用有限元软件ANSYS进行了大规模有限元分析,分析中考虑了矢跨比、跨度、屋面荷载、跨厚比、网格密度、约束条件等参数的影响。基于有限元分析结果,拟合得到了不考虑节点刚度影响时单层球面网壳的基本自振频率估算公式。考虑板式节点刚度的影响,引入基频放大系数,进一步提出了考虑板式节点刚度影响的网壳基频估算公式。将所提出的估算公式的计算值与某铝合金板式节点网壳的实测基频进行了比较,结果吻合良好,证明了公式的有效性。     

桥梁吊杆典型风致振动幅值响应质量阻尼效应研究

涡激共振与准定常驰振临界风速相近时,矩形杆件易发一种涡振与驰振耦合风致振动,区别于锁定区间涡振和发散性驰振,是一类响应幅值随风速的增加而线性增长的"软驰振"现象,质量、阻尼是影响耦合程度和估算幅值的关键参数。基于一组宽高比1.2∶1矩形截面杆件节段模型,通过调整模型系统等效刚度、等效质量和阻尼比,实现了Reynolds数一致情况下,相同质量不同阻尼比、相同阻尼比不同质量以及相同Scruton数不同质量、阻尼组合下风振响应对比试验研究。研究表明:耦合状态下,组成Scruton数的质量、阻尼参数对"软驰振"幅值响应的影响是独立的,权重相同;存在影响"软驰振"幅值响应Scruton数"锁定区间(12.4～30.6)","锁定区间"内,无量纲风速-幅值响应曲线线性斜率(Slope)不随Scruton数变化而变化,并存在一个使风致振动由耦合状态转变为非耦合状态的Scruton数"过渡区间(26.8～30.6)";修正了"软驰振"响应幅值估算经验公式,可用于类似工程杆件设计风速范围内的幅值预测。     

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。     

大跨度公铁两用双层钢桁桥涡激振动控制研究

桥梁的涡激振动主要受到主梁断面的气动外形、结构动力特性与来流特性的影响,而大跨桥梁是典型的风致敏感结构,所以在大跨度桥梁的设计中应当引起重视。以某大跨度公铁两用双层板桁组合桁架桥为背景,在XNJD-1回流串联风洞中进行了风洞试验,研究了该主梁的涡激振动现象。通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟分析了其主梁断面的涡激振动机理,并且将展向周期摄动法应用于钢桁梁的涡激振动控制,采取了一系列气动控制措施来抑制主梁的涡激振动,其中L型分流板与波浪形风嘴完全抑制了主梁的涡激振动。还通过风洞试验研究了波浪形风嘴的几何参数对抑振效果的影响,试验结果表明,波浪形风嘴的抑振效果对幅值变化比较敏感,增大幅值可以有效抑制主梁的涡激振动。     

超高层建筑涡激振动不稳定现象分析

为了研究方截面超高层建筑涡激振动不稳定现象的特点及原因。进行了多自由度气弹模型风洞试验,对模型表面风压和模型顶部涡振位移进行了同步测量;定性分析了模型表面风压和涡振位移响应的瞬时频率及瞬时相位关系。结果表明:在共振临界风速下,涡振位移幅值并不稳定,涡振位移时程曲线表现为间歇性的"葫芦波";并且,模型表面风压频率和模型风振频率并不是一个恒定的值,二者时程的相位差一直处于波动状态,即没有构成一方"俘获"另一方的"锁定"现象;说明超高层建筑实际共振并不是理想的稳定共振,瞬时风压频率和位移频率的动态差异是涡激振动不稳定现象的直接原因。     

带高防抛网边主梁斜拉桥气动性能试验研究EI北大核心CSCD

为研究带高防抛网边主梁斜拉桥的气动稳定性能,以某跨铁路站场边主梁斜拉桥为工程背景,通过节段模型及气弹模型风洞试验综合研究了带高防抛网边主梁斜拉桥的气动稳定性能,并确定了其合理的气动优化措施。利用1∶50比例节段模型风洞试验,测试了各个攻角下主梁的风振响应;在低紊流度流场条件下,通过改变防抛网透风率,对主梁的涡振性能进行优化。设计并制作1∶100比例气弹模型,在不同地表风场类型中进行了风洞试验测试,研究了不同攻角及偏角下全桥气弹模型的涡振性能。风洞试验结果表明:均匀流场中,设置60%透风率的防抛网的节段模型与气弹模型,在最不利3°攻角下,仍发生超过规范限值的竖向涡振。节段模型试验中,在5%紊流风场条件下,主梁断面设置60%透风率的防抛网可以有效抑制涡振,且考虑三维效应的全桥气弹模型与节段模型试验结果相同,无涡振现象发生。     

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。     

风速对水线及斜拉索振动的影响

斜拉桥拉索的风雨激振是特定风速及降雨条件下的低频、大幅度振动,为研究风速对斜拉索风雨激振的影响,将两自由度滑移理论模型与Comsol软件相结合,大幅提高了计算效率,通过数值计算得到了不同风速下的水线运动规律、拉索气动力变化规律及其振动响应。结果表明:斜拉索发生风雨激振时,横风向振幅约为顺风向振幅的两倍;只有当风速处于特定风速范围内时,斜拉索才会发生明显的风雨激振现象,此时上水线振荡频率及气动力变化频率均接近拉索自振频率,水线与拉索间的共振是风雨激振的主要原因之一。     

行波效应对大跨上承式铁路钢桁拱桥地震反应的影响

为研究行波效应下铁路大跨钢桁拱桥地震反应的影响规律,以某490m钢桁拱桥为研究对象,采用SAP2000软件建立全桥动力计算模型,进行了非一致激励下地震响应分析。基于相对运动法的基本原理及位移输入模式,有效分离了行波效应下的拟静力分量和动力分量。结果表明:行波效应对大跨上承式铁路钢桁拱桥的地震反应影响显著,从影响杆件区域范围及量值两个角度衡量,行波效应对拱圈弦杆轴力的影响明显大于对应弯矩的影响。行波效应将使拱顶弦杆轴力显著增大,若不考虑行波效应,将严重低估拱顶杆件的内力响应。与一致激励相比,行波效应使拱顶区域的竖向位移显著增大,使拱顶区域的纵向位移减小。拟静力分量对拱顶纵向及竖向位移影响显著,尤其对拱顶纵向位移。随着视波速的增加,拱顶纵向位移拟静力分量逐渐增大,而竖向位移拟静力分量逐渐减小,拱顶纵向及竖向位移的拟静力分量均与动力项同向,导致总位移均明显大于对应的动力位移。     

基于高斯小波函数和线性表达法的开口板自由振动特性研究

研究开口板自振特性的求解方法,将开口部位视为厚度为零的板,引入局域化特性的高斯小波函数作为位移形函数来捕捉厚度突变的情况,提高解的精确度。提出线性表达方法解耦位移形函数与边界条件,基本思路是通过高斯消元法找到约束条件矩阵中线性无关的列向量,将位移形函数中的未知系数转变为线性无关系数列向量的线性表达,从而将有约束问题转变为无约束问题。对四边简支和四边固定的开口板进行分析,结合有限元方法计算结果,讨论解的收敛性和准确性。研究了不同开口尺寸、开口形状对自振频率的影响,得到开口尺寸、开口形状与自振频率关系曲线,对影响的原因进行了解释。最后计算了不同边界约束条件下多开口板的自振频率。     

台风气候大跨度桥梁风振响应研究

以中国东南部沿海台风多发区3类典型大跨度桥梁为例,即长江三角洲区域舟山群岛西堠门大桥,上海长江大桥和珠江三角洲区域广州新光大桥,运用Monte-Carlo随机模拟算法,结合大量台风历史实测数据.再现了台风气候条件下桥位工程场地风环境参数取值特点;考虑桥梁结构几何非线性效应、多种气动力荷载共同子孟均风及瞬时风攻角效应,由时域有限元计算方法比较了良态与台风气候条件下大跨度桥梁风振响应.利用大气边鹘绮惴缍幢欢闪鞣⑸爸?再现了台风条件下新光大桥全桥气弹模型流场特征和风振响应过程,基于中跨拱肋二维节段模型高频天平测力试验识别了台风强紊流条件下气动导纳函数,进一步精细化地分析了台风条件下新光拱桥风致振动响应特点.     

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。