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。     

桥梁主梁风雨致静力试验研究

利用在大气边界层风洞中搭建的风雨联合作用试验系统,在不同风速和雨强组合作用下进行节段模型的静力三分力试验.通过分析不同雨强下节段模型的静力三分力系数,获取桥梁主梁断面在风雨联合作用下的静力特性.试验表明:随着雨强的增大,节段模型阻力系数增大,升力系数稍有变化,而扭矩系数基本不变,并进一步分析系数变化原因.     

广州南沙凤凰三桥主桥抗风性能研究

采用风洞试验和CFD相结合的方法对主跨308m的广州南沙凤凰大桥抗风性能进行研究,具体包括主桥结构动力特性计算、主梁断面节段模型试验、拱肋阻力系数CFD计算、主桥结构风荷载计算以及全桥气弹模型试验等,研究表明该桥主桥结构具有足够的颤振稳定性,主梁涡振性能满足规范要求,成桥状态拱肋未发现明显的涡振现象。     

闭口钢箱梁悬索桥涡振多尺度模型风洞试验

闭口钢箱梁悬索桥涡振对行车安全、结构耐久和行人舒适度等十分不利。模型风洞试验是研究悬索桥涡振的主要手段。由于涡振对断面气动外形、结构阻尼和雷诺数较为敏感,节段模型和全桥模型涡振试验中都存在缩尺效应。基于闭口钢箱梁悬索桥1∶122全桥气弹模型、1∶60小尺度节段模型和1∶20大尺度节段模型等三组风洞试验发现模型试验中涡振的尺度效应表现为尺寸增大后涡振风速锁定区间变窄并提前但振幅降低。全桥模型试验主缆涡激力激发了加劲梁桥塔和主缆三者高风速涡振现象。     

琅岐闽江大桥静力三分力及涡激振动特性试验研究

利用大型通用有限元软件ANSYS对福州市琅岐闽江大桥进行了结构动力特性的分析,并采用几何缩尺比为1∶50的主梁节段模型,进行了琅岐闽江大桥主梁三分力的静力节段模型及涡激振动特性的动力节段模型风洞试验。由静力试验求得三分力系数,并进行了全桥静力响应分析,通过动力节段试验测定发生涡激振动的发振风速及相应的最大振幅,确定了主梁断面的斯托罗哈数,从而对主梁的涡激振动特性进行初步评价。     

基于非线性涡激力广义模型的涡振幅值换算

节段模型测振风洞试验是研究涡激共振风速锁定区间和振动幅值的主要手段之一,但节段模型涡振振幅并不能由几何缩尺比直接换算至实桥,需要对测试结果进行修正。已有研究表明,涡激力具有强烈的非线性特性,因此基于线性涡激力模型的换算方法不再适用。此外,由于采用的非线性涡激力模型不准确,基于非线性涡激力模型的已有换算方法也不一定适用,并且目前基于非线性涡激力模型的换算方法也没有给出阻尼比的修正方法。为此,文章借鉴量纲分析方法,推导非线性涡激力广义模型,并给出计算涡振振幅的非线性涡激力简化广义模型,然后根据能量相等的原则推导节段模型与实桥的涡振幅值换算公式。研究表明：当节段模型与实桥结构阻尼比一致时,振幅换算关系仅与桥梁阵型函数值有关;当节段模型与实桥结构阻尼比不一致时,振幅换算关系还与涡振生长或衰变过程位移振幅变化率以及涡振稳定状态无量纲幅值有关;不同换算方法的结果对比表明本文换算结果与实测值最为接近。     

桥梁节段与实桥涡激共振幅值的换算关系

涡激共振是大跨桥梁最易出现的一种风振现象,其研究手段以节段模型风洞试验为主。节段模型涡振振幅与实桥涡振振幅如何转换,目前我国《公路桥梁抗风设计规范》缺少相关说明。本文首先介绍了桥梁涡激共振时三种涡振力理论模型的特点,包括线性模型、非线性模型以及修正的非线性模型。根据输入能量相等则振幅相等的原理推导了主梁等效质量与涡振振型函数的关系。在此基础上,提出了不同涡振力理论模型下节段模型涡振振幅与实桥最大涡振振幅的换算关系。研究表明,影响该换算关系的主要因素有两方面,一是主梁发生涡振时的振型,二是所采用的涡振力理论模型。采用日本规范值或有关文献根据线性模型所得的换算关系所计算的实桥最大振幅将明显大于基于非线性涡振力模型推算的实桥最大振幅。     

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。     

风雨耦合作用下桥梁主梁静力三分力系数研究

针对风雨耦合作用下桥梁主梁的静力三分力变化问题,首先对降雨特性做了简要介绍,然后对降雨引起的空气密度改变、降雨对结构的冲击力及简化计算模型、结构表面积水厚度进行了分析。最后以4类典型主梁断面为例,进行了不同雨强下节段模型静力三分力测试。结果表明:降雨引起空气密度改变很小,即使雨强达到300 mm·h^-1,改变量不超过1%;雨强达到上述超强暴雨时,结构竖向冲击力仅为0.67 Pa,同样雨强且风速为50 m·s^-1时,水平冲击力约为100 Pa,占同等风速下纯风作用力的6.5%,而且其随风速的增长率要远小于风作用力的增长率;随着雨强的增大,主梁升力系数明显减小,小风时可达到无雨时的数倍,扭矩系数无规律变化,阻力系数有所增大但比例十分有限;随着风速增大,降雨的影响会相对弱化;试验结果验证了通过质量加权平均简化后的雨滴冲击力计算公式的正确性。     

某跨海大桥节段模型风洞试验

通过某跨海大桥节段模型静力试验和动力试验获得了主梁的静力三分力系数随攻角的变化规律,主梁的颤振特性以及识别了主梁的8个颤振导数,并对试验获得的结果进行了详细的分析。其分析评价的结果直接用于指导该桥的设计与施工,也可为同类桥梁提供理论参考。     

悬索管道桥抗风性能的试验研究

以野山河悬索管道桥设计方案为背景,试验研究了该桥的抗风性能,指出试验研究的内容有加劲梁节段模型测力、加劲梁节段模型测振风洞试验以及全桥气弹模型风洞试验,三个试验研究结果表明,野山河悬索管道桥有着良好的抗风性能。     

Reliability analysis of a long span steel arch bridge against wind-induced stability failure during construction

An efficient and accurate algorithm is proposed to evaluate the reliability of long span steel arch bridges against wind-induced stability failure during construction. The algorithm is developed based on stochastic finite-element method. Uncertainties in static wind load-related parameters are incorporated in the algorithm. The proposed algorithm integrates the finite-element method and the first-order reliability method. A long span steel arch bridge with a main span length of 550 m built in China is considered as an illustrative example. Two different construction stages are chosen for reliability analysis. Construction stage I involves the construction process before closure of main arch ribs. At Construction stage II, all remaining parts of the bridge have been completed except the stiffening girder of the main span. Three components of wind loads (drag force, lift force and pitch moment) acting on both steel girder and arch ribs are considered in the study. Results of the study show that the steel arch bridge at construction stage II is more vulnerable to wind-induced stability failure than that at construction stage I. Further, a detailed parametric study show that the variations of wind speed with height, drag force of wind loads, design wind speed at the bridge site and static aerodynamic coefficients have significant effects on the probability of wind-induced stability failure during the construction stages for the steel arch bridge.     

考虑雷诺数效应的斜拉索气动力试验研究

由于大跨度斜拉桥斜拉索的风荷载在全桥风荷载中占很大比重,因此准确掌握斜拉索的风荷载对大桥的设计工作是十分重要的。通过风洞试验,测试斜拉索的阻力和升力,得到力系数随雷诺数的变化规律,证实在临界雷诺数区域有平均升力的产生,其最大升力系数远大于此雷诺数时对应的阻力系数,忽略升力的存在可能导致斜拉索风荷载的计算结果偏小;将阻力系数和升力系数合成为合力系数,并与规范值比较,发现只有当雷诺数超过一定数值之后,规范的算法才是安全的,雷诺数小于此值尤其是在临界雷诺数区域,合力系数比规范值超出较大。针对苏通长江公路大桥和南京长江第二大桥,利用试验结果和规范值,对斜拉索的风荷载分别进行计算分析,发现利用本文方法计算的合力并不随风速的增大单调增长,而是在一定的风速时取得极大值;利用静阵风风速计算风荷载,按桥规计算的结果在某些情况下偏小,建议规范适当考虑气动升力对斜拉索风荷载的贡献。     

桥梁抗风与风洞试验

介绍了风工程的三种研究方法,从静力三分力试验、弹簧悬挂刚体节段模型试验、全桥气动弹性模型试验三方面详细地探讨了风洞试验,以对风致振动响应机理作科学分析,从而促进桥梁的抗风研究。     

尺寸效应对节段模型涡激振动参数的影响

通过对西堠门大桥主梁截面分别采用两种缩尺比进行节段模型涡激振动风洞试验,探讨了不同尺寸下涡激振动性能的变化.试验结果表明,在进行节段模型涡激振动试验时,不同的缩尺比对试验结果具有一定影响.     

中山异型拱桥力学性能试验及模拟分析

中山异型拱桥是由两条倾斜的钢拱肋、桥面曲线钢箱梁及倾斜的吊杆组成的多元空间体系,属于特殊的空间钢肋拱桥,受力复杂。为研究其力学行为,进行了缩尺模型试验。介绍了该桥模型试验的目的、模型设计原则、测试工况、加载方案以及应变和变形测点布置情况等,给出了几个主要荷载工况下模型试验的主要结果。同时利用ANSYS软件建立空间有限元模型,对其静力、动力性能进行了理论分析。试验数据与理论数据比较接近,证明该桥设计是合理、安全的。     

非圆截面斜拉索气动性能风洞试验研究

大跨度斜拉桥斜拉索上的风荷载对于主梁位移和内力的贡献占整个风荷载的60%~70%,斜拉索的气动力是静力和稳定性检算的基础,准确掌握斜拉索的气动力具有重要意义。通过天平测力风洞试验,在雷诺数为10×104~42×104,对直径为120mm的圆形截面斜拉索模型和3种非圆截面模型进行测力试验,得到各个工况下阻力系数随雷诺数的变化规律,分析截面变形、风向角对阻力系数的影响。结果表明：斜拉索截面变化能够增强雷诺数效应,风向角在0°~30°情况下,阻力系数随斜拉索截面变形的程度呈单调减小的趋势;风向角在40°~90°情况下,阻力系数随斜拉索截面变形的程度呈单调增大的趋势。将气动力系数和风向角度按照亚临界、临界和超临界雷诺数区域进行分区,得到各个区域内阻力系数的数值和拟合公式,通过拟合公式,可以方便地为类似截面结构的风荷载设计提供依据。     

紊流积分尺度对典型桥梁断面静力#br# 系数影响规律的风洞试验研究

为研究紊流积分尺度对典型桥梁断面静力系数影响的规律,文章通过在风洞中模拟紊流对典型桥梁断面进行测力试验。借助尖塔,格栅等方式模拟紊流的传统试验方法,难以模拟实际风场中的大紊流积分尺度。文章采用自主研制的主动控制翼栅,有效增大试验中风场的紊流积分尺度,通过控制主动控制翼栅的振动频率产生不同紊流积分尺度的风场。对单箱梁、双箱梁、桁架梁、边主梁、边箱梁五种典型桥梁断面在紊流下和均匀流下的静力系数进行了测定,其中紊流由主动控制翼栅产生。将五种典型桥梁断面在紊流下的静力系数和均匀流下的静力系数进行对比分析,结果表明在大紊流积分尺度下,阻力系数随紊流积分尺度增大而增大,且小于均匀流下的阻力系数值。结果也表明,在均匀流来测定桥梁断面静力系数对于实际工程应用是偏于安全的考虑,因此建议进行节段模型测力试验时,在均匀流中进行。     

大跨钢桁梁悬索桥风-车-桥分析系统建立与可视化实现

从钢桁梁断面风荷载和车辆荷载加载角度对现有风-车-桥耦合振动系统进行精细化改进。首先基于钢桁梁自身结构特性,以桁杆为单位,对静风力和抖振力,采用合力等效原则,使得任意时刻每个截面内所有节点所受静风力和抖振力的合力与作用在该截面形心的等效静风力和抖振力相等,求取每个节点的静风力和抖振力;对于自激力,依据刚体运动学理论,推导了钢桁梁截面节点与相应截面形心两者运动状态之间的关系式,采用响应不变原则,获取每个节点的自激力。其次在已建立适用于单主梁模型的分析系统的基础上,融入提出的钢桁梁风荷载精细化分析方法,构建大跨钢桁悬索桥风-车-桥分析系统,并基于OpenGL技术集成开发风荷载作用下随机车流过桥的动态可视化功能。最后依托一座典型大跨钢桁悬索桥,采用建立的分析系统,对不同风速和车流密度作用下的桥梁响应进行分析。结果表明：桥梁跨中竖向位移响应主要受车辆荷载控制,横向位移同时受风荷载和车流密度控制,但风荷载起主要作用;随着风速和车流密度的逐渐增大,跨中内力与位移响应极值明显增大。