基于微分法的大跨度桥梁三维颤振敏感性分析

桥梁颤振敏感性表征设计参数对颤振临界风速的影响,是探究桥梁颤振机理与提升颤振性能的重要工具。为帮助设计人员在设计阶段高效精准地获取结构动力特性及颤振导数对大跨度桥梁颤振性能的影响规律,提出一种基于直接微分法的桥梁三维颤振敏感性分析方法。该方法基于系统矩阵的左右特征向量正交特性,构建在设计参数小幅摄动时桥梁多模态耦合颤振规格化条件,结合颤振临界条件得到系统特征值及颤振临界风速对设计参数的敏感性。为检验该方法,以理想薄平板断面简支梁桥为算例,与有限差分方法进行比较,表明该方法具有较高的精度和计算效率。将该方法用于一座大跨度悬索桥的颤振敏感性分析,结果表明：对于采用闭口流线型主梁断面的大跨度桥梁,一阶对称竖弯和一阶对称扭转模态对桥梁颤振影响最大;增大桥梁结构的阻尼比、模态质量及基础扭弯频率比,均会提升桥梁颤振临界风速;颤振导数中,A~*₂影响最显著,A~*₃、A~*₁和H~*₃的影响次之,其它颤振导数的影响则基本可以忽略。     

大展弦比柔性机翼气动弹性风洞模型设计与试验验证

大展弦比柔性机翼飞机的气动弹性是当前理论研究的热点,而风洞试验研究则是揭示大变形气动弹性运动机理和验证理论方法的必要手段。该文建立了能够考虑几何非线性特点的大展弦比柔性机翼风洞试验模型结构设计方案。该方案设计结合几何非线性气动弹性理论分析与模型地面试验,在确保分析模型与理论模型一致的基础上,进行了实物模型的气动弹性风洞试验。风洞试验结果表明大展弦比柔性机翼的结构大变形效应对其气动弹性特性产生了一定影响,大变形导致结构水平弯曲模态发生失稳进而降低了模型的颤振速度,与几何非线性气动弹性分析结果一致。试验颤振速度、颤振模态均与理论分析结果吻合,验证了该文几何非线性气动弹性分析方法的准确性。     

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。     

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。     

考虑几何非线性效应的大展弦比机翼气动弹性分析

针对飞机飞行过程中因受气动载荷作用、机翼几何非线性效应影响气动弹性稳定性,提出考虑结构大变形几何非线性效应的大展弦比机翼气动弹性特性分析方法。通过对MSC.Nastran软件二次开发实现该方法的计算流程。考虑大展弦比机翼几何大变形对气动面网格构型影响,在每个迭代步对气动面网格进行更新,求出大展弦比机翼在给定飞行状态下的静气动弹性变形,获得考虑机翼结构几何非线性效应的刚度矩阵,并进行机翼颤振特性分析。对大展弦比机翼模型进行气动弹性特性分析计算表明,与线性气动弹性分析结果相比,考虑机翼结构大变形几何非线性效应,机翼静气动弹性变形会影响机翼动力学特性,使机翼扭转频率明显下降,导致机翼几何非线性颤振速度低于线性颤振速度。     

泰州大桥主梁施工阶段的颤振稳定性及管理对策

以三塔两跨的泰州大桥为研究对象,根据有限元分析及全桥气弹模型风洞试验的结果,对主梁对称架设施工阶段的动力特性及颤振稳定性进行了研究。结合桥位地区30年的月极大风速分析,对主梁架设阶段的颤振稳定性进行了评价。最后提出了一套针对悬索桥施工阶段颤振稳定性评价及策略确定的流程,可供其他桥梁参考。     

静风效应对大跨径悬索桥空气动力行为的影响研究

大跨径悬索桥对风的作用非常敏感，静风荷载作用产生的非线性效应对大跨径悬索桥的空气动力行为（主要指颤振）将产生不容忽视的影响，考虑静风荷载作用引起的结构动力特性以及作用在结构上空气动力的非线性变化因素，提出了基于静风平衡状态的三维非线性颤振有限元分析方法，并编制了计算程序，以润扬长江大桥为工程背景进行了分析和研究，并揭示了静风效应对大跨径悬索桥动力特性和颤振影响的程度和机理。     

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。     

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。     

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。     

扭弯频率比对π型断面节段模型后颤振特性的影响

以某π型断面桥梁为对象，通过弹性悬挂节段模型风洞试验，识别了机械阻尼随振幅的非线性演变特性。在此基础上，研究了扭弯频率比为0.872，0.971，0.988，1.035，1.085，1.245 六种情况下的颤振临界风速及非线性后颤振振动特性。试验结果表明模型在来流风速超过临界风速后出现极限环振动，且极限环振动的幅值随风速增加而增 大。扭弯频率比对模型气弹响应的多方面特性均有实质性的影响，包括颤振临界风速、后颤振极限环振动幅值、后颤振幅值随风速的演变路径、竖向与扭转的耦合程度以及颤振的“软硬”性质等等。研究结果表明，颤振发生时，竖向与扭转自由度以同频率但非零相位差的形式进行耦合，且相位差随风速与扭弯频率比的变化显著。受气动刚度影响，模型扭转振动频率随风速的增加单调下降，但即使对于初始扭弯频率比小于1 的情况，颤振时仍然以竖向与扭转自由度耦合的形式发生，这一点与流线型断面的经典耦合颤振有明显的不同。该研究也反映了现行的公路桥梁抗风设计规范在体现扭弯频率比影响方面的不足。     

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。     

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。     

基于自由振动响应识别颤振导数的特征系统实现算法

桥梁断面的颤振导数在研究桥梁风致颤振稳定性上扮演着重要的角色，通常通过节段模型风洞试验获得。提出采用时域特征系统实现算法来识别节段模型振动系统的模态参数，进而提取桥梁断面颤振导数的方法。为验证该方法的可行性，进行了二自由度流线型薄平板节段模型自由振动风洞试验，并将识别的气动导数值与Theodorsen理论解进行了比较。     

平板断面扭弯耦合颤振机理研究

基于二维三自由度耦合颤振分析方法,对平板断面经典扭弯耦合颤振的颤振驱动机理和颤振形态进行了深入研究。研究结果表明经典扭弯耦合颤振仍然是由气动负阻尼驱动的,“气动刚度驱动”的机理解释是不正确的,而气动负阻尼主要来源于系统扭转和竖向自由度运动之间的耦合效应。颤振形态矢量的分析结果显示经典扭弯耦合颤振发生时竖向自由度参与程度较高,表明扭转和竖向自由度的耦合效应相当强烈。对颤振形态同结构扭弯频率比以及颤振形态同结构颤振性能的关系进行了分析,虽然颤振形态同结构扭弯频率比之间存在简单、唯一的对应关系,但颤振形态同结构颤振性能的关系则比较复杂。最后对发生于平板断面的竖弯形态颤振的机理进行了探讨。     

山区峡谷大跨钢桁梁桥抗风特性试验研究

山区气象条件非常复杂,对跨越山区峡谷的大跨桥梁将产生非常不利的影响,山区大跨桥梁的抗风问题已成为山区大跨桥梁设计中的重要考虑因素。针对桥梁抗风特性,首先介绍了山区峡谷桥梁设计风参数的选取方法和结果,其次介绍了两座钢桁梁桥节段模型风洞试验的过程和结果,然后针对主梁出现的风致振动进行了一系列详细的优化试验,最后对优化试验的各种方案进行对比分析,选择出抗风特性最优的抑振措施,满足了桥梁抗风设计的要求,为以后类似桥梁的设计提供参考和依据。     

三维平板颤振实用公式的精确拟合

本文根据桥梁日益长大化和桥面流线化的趋势，讨论了平板颤振实用公式的精确化问题。与原来基于刚性节段型的二维颤振计算相比，引入了广义质量和广义惯性矩来考虑主梁断面沿跨度的变化；同时，还用振型相似系数来考虑振型不相似的影响进行了三维颤振分析。根据该理论，编制了计算程序，得到与Ｋｌｏｐｐｅｌ／Ｔｈｉｅｌｅ诺模图相类似的结果；经过回归分析，提出了用于计算三维平板颤振临界风速较为精确的实用计算公式，并与常用的ＶａｎｄｅＰｕｔ实用公式进行了对比。     

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。     

增设主梁下风侧翼板抑制悬索架桥设阶段颤振的研究

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。以某悬梁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。     

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。